CN105049018B

CN105049018B - 一种新型固态继电器

Info

Publication number: CN105049018B
Application number: CN201510549579.1A
Authority: CN
Inventors: 唐建敏
Original assignee: Changzhou Institute of Technology
Current assignee: Changzhou Weitu Fluid Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2018-02-09
Anticipated expiration: 2035-08-31
Also published as: CN105049018A

Abstract

本发明公开了一种新型固态继电器，属于继电器领域。本发明的一种新型固态继电器，包括控制输入端、隔离电路、触发驱动电路、逻辑翻转电路、输出电路和浮动式直流稳压电源，通过增加浮动式直流稳压电源来控制两只功率场效应管的栅极，实现对交流负载或直流负载的控制，通态压降低，通用性高，适用范围广。

Description

一种新型固态继电器

技术领域

本发明涉及一种固态继电器，更具体地说，涉及一种新型固态继电器。

背景技术

固态继电器(亦称固体继电器)英文名称为Solid State Relay，简称SSR。它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件，单相SSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光隔离，输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断态转变成通态。固态继电器工作可靠，寿命长，无噪声，无火花，无电磁干扰，开关速度快，抗干扰能力强，且体积小，耐冲击，耐振荡，防爆、防潮、防腐蚀、能与TTL、DTL、HTL等逻辑电路兼容，以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载的目的。主要不足是存在通态压降(需相应散热措施)，有断态漏电流，交直流不能通用，触点组数少，另外过电流、过电压及电压上升率、电流上升率等指标差。SSR系列固态继电器螺纹引出端子接线，具有强度高、耐冲击、抗震动性强、输入端驱动电流小，可方便与计算机终端数字控制电路接口，广泛应用在石油化工、仪器设备、多种机械、电磁阀控制、数控机床、娱乐设施等，自动化设备。固态继电器是交直流接触器的更新换代产品，特别适用于腐蚀、潮湿、防光、防爆等恶劣环境及频繁开关场合。固态继电器型号规格繁多，但它们的工作原理基本上是相似的。主要由输入(控制)电路，触发驱动电路和输出(负载)电路三部分组成。

触发驱动电路的作用是给输出器件提供触发信号。固态继电器的输出电路是在触发信号的控制下，实现固态继电器的通断切换。固态继电器的驱动触发电路可以包括隔离耦合电路、功能电路和触发电路三部分。隔离耦合电路，目前多采用光电耦合器和高频变压器两种电路形式。常用的光电耦合器有光-三极管、光-双向可控硅、光-二极管阵列(光-伏)等。高频变压器耦合，是在一定的输入电压下，形成约10MHz的自激振荡，通过变压器磁芯将高频信号传递到变压器次级。功能电路可包括检波整流、过零、加速、保护、显示等各种功能电路。输出(负载)电路由输出器件(芯片)和起瞬态抑制作用的吸收回路组成，有时还包括反馈电路。目前，各种固态继电器使用的输出器件主要有晶体三极管(Transistor)、单向可控硅(Thyristor或SCR)、双向可控硅(Triac)、功率场效应管(MOSFET)、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等。常用的固态继电器原理图如图1所示：从DW1、DW2上取出的削顶正弦信号经反相器BG1输出方波再经运算放大器A输出尖峰脉冲信号。尖峰脉冲加在D3～D6的交流对角线与SCR的控制极和阴极间，D3～D6的直流对角线接在光电耦合器的输出端。当从A、B输入低压小电流信号时，二极管发光，光敏管导通，于是从A运算放大器中输出的尖峰脉冲触发SCR导通，角载RL得电。A、B无信号输入时，光电耦合器BG2截止，尖峰脉冲通不过而使SCR不能导通。图2是第一代集成光控MOS继电器，是在输出元件中使用功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的SSR。输入端子中有电流流过时，LED会发光，这个光使栅极产生光电流，这个光电流使功率MOS FET置于ON。开关采用两个源极相连的功率MOS FET，可控制AC负载。第一代集成光控MOS继电器，也称光栅继电器，因光电流电压低，形成的导电沟道，内阻较大，不理想，只适合于控制小功率交直流负载。图3是第二代集成光控MOS固态继电器原理图。为使功率MOSFET动作，采用LED阵列作为发光元件，采用光电三极管阵列作为受光元件。输入端子中有电流流过时，LED阵列发出的光使光电三极管阵列中发生光电流，形成串联的光电池，可以使栅极电压高达8V，使功率MOS FET置于ON。开关采用两个源极相连的功率MOSFET，可控制AC负载。LED阵列与光电管阵列为MOS栅极控制电路提供驱动电源，是第二代集成光控MOS的显著特点，开关内阻已经降到毫欧级，可以驱动大功率交直流负载。但是大功率的集成光控MOS固态继电器，价格昂贵，已经被国外芯片厂商所垄断，制约了固态交流继电器的推广使用。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服上述的不足，提出了一种新型固态继电器，采用本发明的技术方案，通过增加浮动式直流稳压电源来控制两只功率场效应管的栅极，实现对交流负载或直流负载的控制，通态压降低，通用性高，适用范围广。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种新型固态继电器，包括控制输入端、隔离电路、触发驱动电路、逻辑翻转电路、输出电路和浮动式直流稳压电源，所述的浮动式直流稳压电源包括第一电阻R1、整流二极管Q3、储能电容C、双向稳压二极管D1，第一电阻R1的一端连接到公共端COM，第一电阻R1的另一端连接整流二极管Q3的阳极，整流二极管Q3的阴极分别连接储能电容C的正极VC和双向稳压二极管D1的第一端，储能电容C的负极S连接双向稳压二极管D1的第二端；所述的控制输入端包括第二电阻R2和第一发光二极管LED1，所述的第一发光二极管LED1的阳极连接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端为第一输入端A，第一发光二极管LED1的阴极为第二输入端B；所述的隔离电路为为光电隔离耦合器，光电隔离耦合器由第一发光二极管LED1和第一光电三极管T1封装在一起构成的；所述的触发驱动电路包括第一光电三极管T1和第三电阻R3，所述的第一光电三极管T1的集电极连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接储能电容C的正极VC，第一光电三极管T1的发射极连接储能电容C的负极S；所述的逻辑翻转电路包括开关管T2和第四电阻R4，所述的开关管T2的基极连接第一光电三极管T1的集电极，开关管T2的集电极连接第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端与储能电容C的正极VC，开关管T2的发射极连接储能电容C的负极S；所述的输出电路包括第一MOS管T3、第二MOS管T4和负载电路，所述的第一MOS管T3的源极与漏极之间反方向并联有第一二极管Q1，所述的第二MOS管T4的源极与漏极之间反方向并联有第二二极管Q2，所述的第一MOS管T3的源极和第二MOS管T4的源极的连接点构成第三输出端s，第三输出端s与储能电容C的负极S相连，第一MOS管T3的栅极和第二MOS管T4的栅极相连后与开关管T2的集电极相连，第一MOS管T3的漏极为第一输出端d1，第二MOS管T4的漏极为第二输出端d2，所述的负载电路为直流负载或交流负载。

更进一步地，所述的负载电路为交流负载，所述的负载电路包括负载RL和交流电AC，所述的交流电AC的一端连接公共端COM后连接负载RL的一端，负载RL的另一端连接第一输出端d1，交流电AC的另一端连接第二输出端d2。

更进一步地，所述的负载电路为直流负载，所述的负载电路包括负载RL和直流电DC，所述的直流电DC的正极连接公共端COM后连接负载RL的一端，负载RL的另一端连接第一输出端d1，直流电DC的负极连接第二输出端d2；或者所述的直流电DC的正极连接公共端COM后连接负载RL的一端，负载RL的另一端连接第一输出端d1，直流电DC的负极连接第三输出端s；或者所述的直流电DC的正极连接公共端COM后连接负载RL的一端，负载RL的另一端连接第一输出端D1，直流电DC的负极连接第三输出端s，第一输出端d1与第二输出端d2相连。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种新型固态继电器，其通过增加浮动式直流稳压电源来控制两只功率场效应管的栅极，实现对交流负载或直流负载的控制，通态压降低，通用性高，适用范围广；

(2)本发明的一种新型固态继电器，其通过增加直流稳压电源，可以为功能电路提供稳定的工作电源，通过增加各种功能电路模块，开发出各种功能的固态继电器。

附图说明

图1为现有固态继电器原理图；

图2为现有第一代集成光控MOS固态继电器原理图；

图3为现有第二代集成光控MOS固态继电器原理图；

图4为本发明的一种新型固态继电器的实施例1的原理图；

图5为本发明的一种新型固态继电器的实施例2的原理图；

图6为本发明的一种新型固态继电器的实施例3的原理图；

图7为本发明的一种新型固态继电器的实施例4的原理图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图4，本实施例的一种新型固态继电器，包括控制输入端、隔离电路、触发驱动电路、逻辑翻转电路、输出电路和浮动式直流稳压电源，浮动式直流稳压电源包括第一电阻R1、整流二极管Q3、储能电容C、双向稳压二极管D1，第一电阻R1的一端连接到公共端COM，第一电阻R1的另一端连接整流二极管Q3的阳极，整流二极管Q3的阴极分别连接储能电容C的正极VC和双向稳压二极管D1的第一端，储能电容C的负极S连接双向稳压二极管D1的第二端；控制输入端包括第二电阻R2和第一发光二极管LED1，所述的第一发光二极管LED1的阳极连接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端为第一输入端A，第一发光二极管LED1的阴极为第二输入端B；隔离电路为为光电隔离耦合器，光电隔离耦合器由第一发光二极管LED1和第一光电三极管T1封装在一起构成的；触发驱动电路包括第一光电三极管T1和第三电阻R3，第一光电三极管T1的集电极连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接储能电容C的正极VC，第一光电三极管T1的发射极连接储能电容C的负极S；逻辑翻转电路包括开关管T2和第四电阻R4，开关管T2的基极连接第一光电三极管T1的集电极，开关管T2的集电极连接第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端与储能电容C的正极VC，开关管T2的发射极连接储能电容C的负极S；输出电路包括第一MOS管T3、第二MOS管T4和负载电路，第一MOS管T3的源极与漏极之间反方向并联有第一二极管Q1，第二MOS管T4的源极与漏极之间反方向并联有第二二极管Q2，第一MOS管T3的源极和第二MOS管T4的源极的连接点构成第三输出端s，第三输出端s与储能电容C的负极S相连，第一MOS管T3的栅极和第二MOS管T4的栅极相连后与开关管T2的集电极相连，第一MOS管T3的漏极为第一输出端d1，第二MOS管T4的漏极为第二输出端d2，负载电路包括负载RL和交流电AC，交流电AC的正极连接公共端COM后连接负载RL的一端，负载RL的另一端连接第一输出端d1，交流电AC的负极连接第二输出端d2。

当控制输入端AB之间输入呈现低电平控制信号时，第一发光二极管LED1不发光，第一光电三极管T1截止，输出高电平，经过逻辑翻转电路翻转后，输出低电平，功率MOS管

栅极、源极间电压接近于0V，低于功率MOS管的开启电压，功率MOS管呈现高阻，处于截止状态，此时呈现OFF状态；当控制输入端AB之间输入呈现高电平控制信号时，第一发光二极管LED1发光，第一光电三极管T1饱和导通，开关管T2的基极呈现低电平，开关管T2截止，功率MOS管栅极、源极间电压呈现高电平VC，功率MOS管导通，呈现ON状态。

在正半周时，交流电源经第一电阻R1限流降压，整流二极管Q3整流后，除了向第一光电三极管T1和开关管T2供电外，还向储能电容C充电。在负半周时，整流二极管Q3截止，储能电容C向第一光电三极管T1和开关管T2供电。在功率MOS管处于导通状态时，无论正半周还是负半周，由于储能电容C的存在，始终保证功率MOS管的栅极与源极间的电压接近于VC，保持功率MOS管处于导通状态。固态继电器的耐压由整流二极管Q3和功率MOS管决定。负载电流由功率MOS管决定。浮动直流稳压电源VC一般控制在10V～15V。

实施例2

结合图5，本实施例的一种新型固态继电器的基本电路连接同实施例1，不足之处在于：负载电路为直流负载，负载电路包括负载RL和直流电DC，直流电DC的正极连接公共端COM后连接负载RL的一端，负载RL的另一端连接第一输出端d1，直流电DC的负极连接第二输出端d2。

实施例3

结合图6，本实施例的一种新型固态继电器的基本电路连接同实施例1，不足之处在于：负载电路为直流负载，负载电路包括负载RL和直流电DC，直流电DC的正极连接公共端COM后连接负载RL的一端，负载RL的另一端连接第一输出端d1，直流电DC的负极连接第三输出端s。

实施例4

结合图7，本实施例的一种新型固态继电器的基本电路连接同实施例1，不足之处在于：负载电路为直流负载，负载电路包括负载RL和直流电DC，直流电DC的正极连接公共端COM后连接负载RL的一端，负载RL的另一端连接第一输出端d1，直流电DC的负极连接第三输出端s，第一输出端d1与第二输出端d2相连。

本发明的一种新型固态继电器，其通过增加浮动式直流稳压电源来控制两只功率场效应管的栅极，实现对交流负载或直流负载的控制，通态压降低，通用性高，适用范围广。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种新型固态继电器，其特征在于：包括控制输入端、隔离电路、触发驱动电路、逻辑翻转电路、输出电路和浮动式直流稳压电源，所述的浮动式直流稳压电源包括第一电阻(R1)、整流二极管(Q3)、储能电容(C)、双向稳压二极管(D1)，第一电阻(R1)的一端连接公共端(COM)，第一电阻(R1)的另一端连接整流二极管(Q3)的阳极，整流二极管(Q3)的阴极分别连接储能电容(C)的正极(VC)和双向稳压二极管(D1)的第一端，储能电容(C)的负极(S)连接双向稳压二极管(D1)的第二端；所述的控制输入端包括第二电阻(R2)和第一发光二极管(LED1)，所述的第一发光二极管(LED1)的阳极连接第二电阻(R2)的一端，第二电阻(R2)的另一端为第一输入端(A)，第一发光二极管(LED1)的阴极为第二输入端(B)；所述的隔离电路为光电隔离耦合器，光电隔离耦合器由第一发光二极管(LED1)和第一光电三极管(T1)封装在一起构成的；所述的触发驱动电路包括第一光电三极管(T1)和第三电阻(R3)，所述的第一光电三极管(T1)的集电极连接第三电阻(R3)的一端，第三电阻(R3)的另一端连接储能电容(C)的正极(VC)，第一光电三极管(T1)的发射极连接储能电容(C)的负极(S)；所述的逻辑翻转电路包括开关管(T2)和第四电阻(R4)，所述的开关管(T2)的基极连接第一光电三极管(T1)的集电极，开关管(T2)的集电极连接第四电阻(R4)的一端，第四电阻(R4)的另一端与储能电容(C)的正极(VC)连接，开关管(T2)的发射极连接储能电容(C)的负极(S)；所述的输出电路包括第一MOS管(T3)、第二MOS管(T4)和负载电路，所述的第一MOS管(T3)的源极与漏极之间反方向并联有第一二极管(Q1)，所述的第二MOS管(T4)的源极与漏极之间反方向并联有第二二极管(Q2)，所述的第一MOS管(T3)的源极和第二MOS管(T4)的源极的连接点构成第三输出端(s)，第三输出端(s)与储能电容(C)的负极(S)相连，第一MOS管(T3)的栅极和第二MOS管(T4)的栅极相连后与开关管(T2)的集电极相连，第一MOS管(T3)的漏极为第一输出端(d1)，第二MOS管(T4)的漏极为第二输出端(d2)，所述的负载电路为直流负载或交流负载。

2.根据权利要求1所述的一种新型固态继电器，其特征在于：所述的负载电路为交流负载，所述的负载电路包括负载(RL)和交流电(AC)，所述的交流电(AC)的一端连接公共端(COM)后连接负载(RL)的一端，负载(RL)的另一端连接第一输出端(d1)，交流电(AC)的另一端连接第二输出端(d2)。

3.根据权利要求1所述的一种新型固态继电器，其特征在于：所述的负载电路为直流负载，所述的负载电路包括负载(RL)和直流电(DC)，所述的直流电(DC)的正极连接公共端(COM)后连接负载(RL)的一端，负载(RL)的另一端连接第一输出端(d1)，直流电(DC)的负极连接第二输出端(d2)；或者所述的直流电(DC)的正极连接公共端(COM) 后连接负载(RL)的一端，负载(RL)的另一端连接第一输出端(d1)，直流电(DC)的负极连接第三输出端(s)；或者所述的直流电(DC)的正极连接公共端(COM)后连接负载(RL)的一端，负载(RL)的另一端连接第一输出端(d1)，直流电(DC)的负极连接第三输出端(s)，第一输出端(d1)与第二输出端(d2)相连。