CN104953998A - 电子超导型固态继电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子超导型固态继电器，本电子超导型固态继电器包括辅助电源电路，宽电压恒流驱动电路，时序控制电路，以及汽车继电器和固态继电器；针对现有技术中的缺陷所设计，将电子器件和继电器结合的一款新型的超级固态继电器。它具有以下特点：1安装方便不发热无需散热装置占用空间少；2自身耗能小(小于2.5W)；3应用使用范围宽(交流款，控制电压交直流7-450V。直流款控制电压3-60V)；4可以直接使用启动、停止按钮控制不需要辅助电源就可以控制主回路；5抗过载能力强是额电流的2倍。

Description

电子超导型固态继电器

技术领域

本发明涉及电子元器件技术领域，具体为一种电子超导型固态继电器。

背景技术

固态继电器(SOLIDSTATE RELAYS)，简写为“SSR”，是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件等)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，因此又被称为“无触点开关”，它问世于70年代，由于它的无触点工作特性，使其被广泛应用在工业控制，电控及计算机控制方面等许多领域得到日益的广泛应用。

目前市场上见到的固态继电器存在以下缺陷。抗过载能力差，自身耗能大、需要加足够大的散热装置才能保证安全工作，应用范围不够宽等。

普通固态继电器耗能，就是非常大的一个数字，以某品牌固态继电器的耗能为例80A的电流乘上最大压降1.5VVrms要消耗约120W的电能(有些厂家的甚至最大压降高达5Vrms浪费的电能更大)，每台使用固态继电器的设备有几个甚至几十个消耗的电能几百到几千瓦。全国每天都有成千上万的使用固态继电器的设备运行。每天白白让费的电能可想而知。

现有的固态继电器一般触点与触点间电压为AC500V，触点间电流达到80A时最大切换电压只有14V不能用与更高的电压切换，这是因为切换时产生电弧而烧坏触点。在其中触点开断时，如果电源电压超过12～20V,被断开的电流超过0.25～1A，在触点间隙(弧间隙)中会产生一团温度极高、发出强光和能导电的近似圆柱的气体，称为电弧。电弧是一种气体放电的特殊形式，气体放电的形式很多，有电晕放电、辉光放电、火花放电和弧光放电等。当开关触点间发生电弧时，它烧损触点并危及绝缘，在最严重情况下甚至可能引起相间短路，或使开关电器爆炸，形成火灾，影响电力系统安全运行。因此在电器学中研究电弧的目的，主要侧重于掌握电弧产生与熄灭的规律，探索采取适当的措施以熄灭电弧。电弧发现于19世纪初期，那是人们还只懂得将电弧拉长变熄灭。近数十年来，对电弧的研究发展较快，电弧的数学模型日益受到重视，利用电子计算机可以计算电弧的动态过程及有关参数。但由于电弧过程的复杂性，要正确地设计灭弧室，还必须大量的科学实验以及从生产实践中不断总结提高。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种电子超导型固态继电器，本发明针对现有技术中的缺陷所设计，是有电子器件和继电器结合的一款新型的超级固态继电器。具有以下特点：1安装方便不发热无需散热装置占用空间少；2自身耗能小(小于2.5W)；3应用使用范围宽(交流款，控制电压交直流7-450V。直流款控制电压3-60V)；4可以直接使用启动、停止按钮控制不需要辅助电源就可以控制主回路；5抗过载能力强是额电流的2倍。

实现上述发明目的本发明的技术方案为：本发明电子超导型固态继电器包括辅助电源电路，宽电压恒流驱动电路，时序控制电路，以及汽车继电器和固态继电器；辅助电源电路输出两路电压信号分别连接到时序控制电路和汽车继电器上，宽电压恒流驱动电路的输出端连接到时序控制电路的输入端，时序控制电路的输出一路连接固态继电器的输入端，时序控制电路的输出另一路通过继电器驱动连接并驱动汽车继电器，汽车继电器的输出与固态继电器的输出并联；

辅助电源电路包括辅助电源交流端口，1000V整流电路，电源管理芯片，高频变压器，三端稳压器，或者包括辅助电源直流端口，电源管理芯片，高频变压器，三端稳压器；宽电压恒流驱动电路包括控制输入交流端口，1000V整流电路和宽电压恒流驱动芯片，或包括控制输入直流端口和宽电压恒流驱动芯片；时序控制电路包括光电耦合器，施密特整形输出电路一，施密特整形输出电路二，施密特整形输出电路三，施密特倒向输出电路是，施密特整形输出电路四，施密特同向输出电路，施密特整形输出电路五和启动复位作用的施密特整形输出电路六；所述辅助电源交流端口连接1000V整流电路的输入端，1000V整流电路的输出端连接电源管理芯片的输入端或者辅助电源直流端口直接连接电源管理芯片的输入端，电源管理芯片的输出端连接高频电压器的输入端，高频电压器的输出端一路连接汽车继电器，高频电压器的输出端另一路连接三端稳压器的输入端，三端稳压器的输出端连接时序控制电路中的各施密特输出电路给其提供稳定电压信号；所述宽电压恒流驱动电路中控制输入交流端口连接1000V整流电路的输入端，1000V整流电路的输出端连接宽电压恒流驱动芯片的输入端，或控制输入直流端口直接连接宽电压恒流驱动芯片的输入端，宽电压恒流驱动芯片的输出端连接时序控制电路中光电耦合器的输入端，光电耦合器的输出端连接施密特整形输出电路一的输入端，施密特整形输出电路一的输出端一路分别连接到施密特整形输出电路三和施密特整形输出电路四的输入端，施密特整形输出电路三的输出端连接到施密特倒向输出电路的输入端，倒向输出电路的输出端通过施密特整形输出电路五输出连接到固态继电器的光电隔离器；施密特整形输出电路四的输出端连接到施密特同向输出电路的输入端，施密特同向输出电路的输出端通过施密特整形输出电路五输出连接到固态继电器的光电隔离器；施密特整形输出电路一的输出端另一路连接施密特整形输出电路二的输入端，施密特整形输出电路二通过施密特整形输出电路五输出连接到固态继电器的光电隔离器，启动复位作用的施密特整形输出电路六的输出端一路连接施密特整形输出电路一，启动复位作用的施密特整形输出电路六的输出端另一路连接施密特整形输出电路五；固态继电器的光电隔离器输出信号连接控制固态继电器的可控硅，固态继电器的可控硅输出端口与汽车继电器的的常开触点并联，与汽车继电器的输出端口并联输出。

本发明的工作原理是：接入交流电85-260V或直流电，辅助电源工作输出稳定的12V供继电器使用，经过三端稳压器输出5V供时序控制电路使用。在控制输入端输入交流或直流7-450V12-0.1MA控制电压，恒流驱动电路向光电隔离器提供10MA的发光电流，光电隔离器输出端导通，导通信号经过时序分配器输出两路逻辑信号，第一路先让固态继电器可控硅导通，可控硅导通后汽车继电器触点间电压很低，为不超过80A的电流，可控硅两端最大压降1.5Vrms，由于1.5Vrms电压远远低于电弧产生的条件所以不会产生电弧。第二路信号使汽车继电器吸合，汽车继电器吸合10毫秒后第一路信号断开固态继电器的可控硅截止。固态继电器可控硅的导通时间短，只有不到10MS所以发热量很小。控制端断开交流或直流控制电压后，第一路先输出信号在使固态继电器可控硅导通分流继电器触点间电压电流，汽车继电器触点断开；触点断开时低于电弧产生条件，触点间没有电弧；汽车继电器断开的同时第一路信号延时5毫秒后被控回路关断，完成整个控制过程。

本发明所述超导型固态继电器分为交流和直流两款，宽电压恒流驱动控制输入端口，输入电压交流或直流，输入电压通过1000V整流电路，整流滤波后给宽电压恒流驱动芯片提供电源(直流款使用另一型号的宽电压恒流驱动芯片芯片和RCL组成10mA恒流源)10mA恒定电流给光电耦合器提供了稳定的工作电流。

时序控制器电路工作原理:通电后启动复位作用的施密特整流输出电路六，强行使输出端的(强干扰和不确定的信号被关闭)回路关闭锁定。时序控制：控制输入端口输入电压7-400V光电耦合器接收到10mA启动信号，输出端从高阻变为低阻两端电压从0变为1。施密特整流输出电路二对信号整形后输出方波开启信号；输出方波信号从0变为1，电压瞬间从0变为1。施密特整流输出电路二和施密特倒向输出瞬间输出10mS的导通信号再通过固态继电器中的光电耦合器驱动可控硅让可控硅先导通。同时施密特整流输出电路二对信号整形后输出方波开启信号构成延时电路，施密特整流输出电路二的另一路脚输出汽车继电器开启信号使汽车继电器比可控硅延时几mS后吸合(由于可控硅先导通汽车继电器的常开触点两端电压很低，不会产生电弧)起到汽车继电器触点无电弧接通的目的。

宽电压恒流电路的控制输入端口(交流直流两用款)输入电断开电源，时序控制电路中光电耦合器无电流通过(关闭信号)无导通信号，之后施密特整流输出电路二中电容反向充电瞬间输出使固态继电器中可控硅导通，由于电容两端电压不能突变，可控硅一直导通。直到向电容充电1/2以上时可控硅才关闭，时间大约10mS；与此过程同时施密特整流输出电路二对信号整形后输出方波开启信号被关闭，电路的放电延时起作用在另一路输出使汽车继电器被关闭，汽车继电器滞后于可控硅导通几mS断开触点连接。由于可控硅的导通触点两端电压低于电弧的起弧条件，所以继电器触点无弧断开。起到继电器无弧大电流接通断开作用。

辅助电源电路的原理：辅助电源端口，交流款和直流款输入电压通过起动电阻和保险丝共模滤波进入1000V整流桥在经过电容滤波平滑后。输出的直流电压在通过由电源管理芯片和高频变压器等原件构成AC-DC转换器(离线开关)输出稳定+12V的电压，向汽车继电器和时序控制电路提供所需的电能。

本发明的有益效果为：本发明是针对上述现有技术中的缺陷设计的，是由电子器件和继电器结合的一款新型的超级固态继电器。具有以下特点：1安装方便不发热无需散热装置占用空间少；2自身耗能小(小于2.5W)；3应用使用范围宽(交流款，控制电压交直流7-450V。直流款控制电压3-60V)；4可以直接使用启动、停止按钮控制不需要辅助电源就可以控制主回路；5抗过载能力强是额电流的2倍。

下表是普通固态继电器与电子超导型继电器比较的表格

参照上表数据可以看出：

1安装不需要散热器和散热用风扇，这可以减小体积，由于基本不发热可以延长设备的寿命。

2自身耗电少，一只继电器一天(8小时满负荷)，就能减少耗电约0.7千瓦。

3使用范围宽，交流款可以直接使用启动，停止按钮。使用220或380V的电压进行控制操作不用另加辅助电源。(直流款不能使用220或380V进行控制。)

附图说明

图1为本发明实施例的原理方框图。

具体实施方式

如附图1所示本发明实施例一种电子超导型固态继电器包括辅助电源电路，宽电压恒流驱动电路，时序控制电路，以及汽车继电器(可采用的型号为JD2912-1H-12)和固态继电器(可采用的型号为BTA41-600)；辅助电源电路输出两路电压信号分别连接到时序控制电路和汽车继电器上，宽电压恒流驱动电路的输出端连接到时序控制电路的输入端，时序控制电路的输出一路连接固态继电器的输入端，时序控制电路的输出另一路通过继电器驱动连接并驱动汽车继电器，汽车继电器的输出与固态继电器的输出并联。

辅助电源电路包括辅助电源交流端口，1000V整流电路，电源管理芯片(可采用的型号为TOP222G)，高频变压器(可采用的型号为EE16)，三端稳压器(可采用的型号为LC7550)或包括辅助电源直流端口和电源管理芯片(可采用的型号为TOP222G)，高频变压器(可采用的型号为EE16)，三端稳压器(可采用的型号为LC7550)。宽电压恒流驱动电路包括控制输入交流端口，1000V整流电路和宽电压恒流驱动芯片交流HV9910H)或包括控制输入直流端口和宽电压恒流驱动芯片(可采用的型号为SW5305)。时序控制电路包括光电耦合器(可采用的型号为PC817)，施密特整形输出电路一，施密特整形输出电路二，施密特整形输出电路三，施密特倒向输出电路是，施密特整形输出电路四，施密特同向输出电路，施密特整形输出电路五和启动复位作用的施密特整形输出电路六。所述辅助电源交流端口连接1000V整流电路的输入端，1000V整流电路的输出端连接电源管理芯片的输入端或者辅助电源直流端口直接连接电源管理芯片的输入端，电源管理芯片的输出端连接高频电压器的输入端，高频电压器的输出端一路连接汽车继电器，高频电压器的输出端另一路连接三端稳压器的输入端，三端稳压器的输出端连接时序控制电路中的各施密特输出电路给其提供稳定电压信号；所述宽电压恒流驱动电路中控制输入交流端口连接1000V整流电路的输入端，1000V整流电路的输出端连接宽电压恒流驱动芯片的输入端，或控制输入直流端口直接连接宽电压恒流驱动芯片的输入端，宽电压恒流驱动芯片的输出端连接时序控制电路中光电耦合器的输入端，光电耦合器的输出端连接施密特整形输出电路一的输入端，施密特整形输出电路一的输出端一路分别连接到施密特整形输出电路三和施密特整形输出电路四的输入端，施密特整形输出电路三的输出端连接到施密特倒向输出电路的输入端，倒向输出电路的输出端通过施密特整形输出电路五输出连接到固态继电器的光电隔离器；施密特整形输出电路四的输出端连接到施密特同向输出电路的输入端，施密特同向输出电路的输出端通过施密特整形输出电路五输出连接到固态继电器的光电隔离器；施密特整形输出电路一的输出端另一路连接施密特整形输出电路二的输入端，施密特整形输出电路二通过施密特整形输出电路五输出连接到固态继电器的光电隔离器，启动复位作用的施密特整形输出电路六输出端一路连接施密特整形输出电路一，启动复位作用的施密特整形输出电路六输出端的另一路连接施密特整形输出电路五；固态继电器的光电隔离器输出信号连接控制固态继电器的可控硅(型号BTA41-600)输出端口，固态继电器的可控硅输出端口与汽车继电器的的常开触点并联，与汽车继电器的输出端口并联输出(固态继电器的光电隔离器可采用型号MOC305系列)。

Claims (2)

1.电子超导型固态继电器，其特征在于：该超导型固态继电器包括辅助电源电路，宽电压恒流驱动电路，时序控制电路，以及汽车继电器和固态继电器；辅助电源电路输出两路电压信号分别连接到时序控制电路和汽车继电器上，宽电压恒流驱动电路的输出端连接到时序控制电路的输入端，时序控制电路的输出一路连接固态继电器的输入端，时序控制电路的输出另一路通过继电器驱动连接并驱动汽车继电器，汽车继电器的输出与固态继电器的输出并联。

2.根据权利要求1所述的电子超导型固态继电器，其特征在于：辅助电源电路包括辅助电源交流端口，1000V整流电路，电源管理芯片，高频变压器，三端稳压器，或者包括辅助电源直流端口，电源管理芯片，高频变压器，三端稳压器；宽电压恒流驱动电路包括控制输入交流端口，1000V整流电路和宽电压恒流驱动芯片，或包括控制输入直流端口和宽电压恒流驱动芯片；时序控制电路包括光电耦合器，施密特整形输出电路一，施密特整形输出电路二，施密特整形输出电路三，施密特倒向输出电路是，施密特整形输出电路四，施密特同向输出电路，施密特整形输出电路五和启动复位作用的施密特整形输出电路六；所述辅助电源交流端口连接1000V整流电路的输入端，1000V整流电路的输出端连接电源管理芯片的输入端或者辅助电源直流端口直接连接电源管理芯片的输入端，电源管理芯片的输出端连接高频电压器的输入端，高频电压器的输出端一路连接汽车继电器，高频电压器的输出端另一路连接三端稳压器的输入端，三端稳压器的输出端连接时序控制电路中的各施密特输出电路给其提供稳定电压信号；所述宽电压恒流驱动电路中控制输入交流端口连接1000V整流电路的输入端，1000V整流电路的输出端连接宽电压恒流驱动芯片的输入端，或控制输入直流端口直接连接宽电压恒流驱动芯片的输入端，宽电压恒流驱动芯片的输出端连接时序控制电路中光电耦合器的输入端，光电耦合器的输出端连接施密特整形输出电路一的输入端，施密特整形输出电路一的输出端一路分别连接到施密特整形输出电路三和施密特整形输出电路四的输入端，施密特整形输出电路三的输出端连接到施密特倒向输出电路的输入端，倒向输出电路的输出端通过施密特整形输出电路五输出连接到固态继电器的光电隔离器；施密特整形输出电路四的输出端连接到施密特同向输出电路的输入端，施密特同向输出电路的输出端通过施密特整形输出电路五输出连接到固态继电器的光电隔离器；施密特整形输出电路一的输出端另一路连接施密特整形输出电路二的输入端，施密特整形输出电路二通过施密特整形输出电路五输出连接到固态继电器的光电隔离器，启动复位作用的施密特整形输出电路六的输出端一路连接施密特整形输出电路一，启动复位作用的施密特整形输出电路六的输出端另一路连接施密特整形输出电路五；固态继电器的光电隔离器输出信号连接控制固态继电器的可控硅，固态继电器的可控硅输出端口与汽车继电器的的常开触点并联，与汽车继电器的输出端口并联输出。