CN110875734A - 一种用于固态继电器的输入输出电路及固态继电器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于固态继电器的输入输出电路及固态继电器，该继电器具有负载能力强、可靠性高、绝缘电阻高、过负载能力强、可靠性高、耐盐雾能力强；具有控制速度快，驱动能量需求少；外形尺寸设计为21.8mm×12.8mm×10mm，使本发明所提供的固态继电器具有结构紧凑，体积小巧，重量轻，重量小于8g；在体积和重量条件限制下，保证了输出电阻小、自身功耗低、以及输出功率大。
Description
技术领域
本发明涉及一种输入电路、一种输出电路以及一种固态继电器，尤其是涉及一种用于固态继电器的输入电路和输出电路以及包括了该输入电路和输出电路的固态继电器。
背景技术
固态继电器(Solid State Relay,缩写SSR)，作为继电器领域的一个重要分支，其内部由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。控制端与负载端的隔离用光电耦合或脉冲信号。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。
固态继电器的工作原理是：利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。
现有的固态继电器利用输入电路对电源电压进行处理后耦合至输出电路对负载进行驱动，固态继电器的接通时间、关断时间比电磁继电器快，利用固态继电器可以直接驱动单片机、MCU等器件。
但现有的固态继电器的输入输出电路的输入电阻小，输出电阻大，输出功率小，提高了固态继电器的功耗，降低了固态继电器的负载驱动能力。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，本发明在此的目的之一在于提供一种用于固态继电器的输入电路，该输入电路稳定性好。
本发明在此的目的之二在于提供一种用于固态继电器的输出电路。
本发明在此的目的之三在于提供一种由本发明所提供的输入电路和输出电路构成的固态继电器，该固态继电器输出电阻小，输出功率大，从而降低自身功耗。
本发明所提供的用于固态继电器的输入电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一三极管V1、第二三极管V4和变压器T1，所述第一电阻R1和所述电阻R2串联于输入电源正负极之间，所述第一二极管D1串联于所述第一电阻R1和输入电源正极之间；所述第一三极管V1的基极连接于所述第一电阻R1和所述第二电阻R2相连接的一端，所述第一电容C1串联于所述第一二极管D1的阴极和所述第一三极管V1的基极之间，所述第二电容C2串联于所述第一三极管V1的基极和所述第一三极管V1的发射极之间，所述第三电容C3串联于所述第一三极管V1的集电极和所述第一三极管V1的发射极之间；所述第一三极管V1的发射极还经所述第三电阻R3接电源负极；所述第一三极管V1的集电极接所述变压器T1初级线圈的一端，所述变压器T1初级线圈的另一端接所述第一二极管D1的阴极；所述变压器T1次级线圈的一端连接至所述第二二极管D2的阳极，所述第四电阻R4和第四电容C4并联于所述第二二极管D2的阴极和所述变压器T1次级线圈的另一端之间，所述第二二极管D2的阴极还同时与所述第二三极管V2的基极和所述第三二极管D3的阳极连接，所述第三二极管D3的阴极与所述第二三极管V2的发射极连接，所述第二三极管V2的集电极接变压器T1次级线圈的另一端；所述第二三极管V2的发射极作为输入电路的正极输出端，所述第二三极管V2的集电极作为输入电路的负极输出端。
该输入电路中的第一三极管V1的基极-发射极和发射极-集电极之间串联有电容，中和了第一三极管V1的结电容，保证了第一二极管工作的稳定性，使加载于变压器上的电压稳定，降低了反馈。此外，该输入电路中电容C1、电容C2、电容C3、变压器T1初级、三极管V1组成了三点振荡电路，起到信号传递、隔离的作用，R1、R2组成了分压电路，该电路结构简单、参数可靠稳定。
本发明所提供的用于固态继电器的输出电路包括第三三极管V3、第四三极管V4、第一稳压二极管D4和第二稳压二极管D5，所述第一稳压二极管D4的阳极和阴极分别作为输入电路的输入端，所述第二稳压二极管D5并联于所述第一稳压二极管D4的两端；所述第二稳压二极管D5的阴极分别与所述第三三极管V3的栅极和所述第四三极管V4的栅极连接，所述第二稳压二极管D5的阳极分别与所述第三三极管V3的源极和所述第四三极管V4的源极连接，所述第三三极管V3的漏极和所述第四三极管V4的漏极作为输出电路的输出端。
此外，该输出电路二极管D2与电阻R4、电容C4组成整流稳压电路，对隔离信号进行整波、稳压，二极管D3与V2组成快速泄放电路，在关断过程中可开始泄放场效应管V3、V4的栅源电荷，稳压二极管D4、D4用于结构中及生产过程中的保护，提高产品的合格率和防止应用中的击穿。
本发明所提供的固态继电器包括底座和罩壳，所述底座和所述罩壳形成密封腔体，所述密封腔体内安装有输入组件和输出组件；所述输入组件包括布设有本发明所提供的输入电路的电路板A、第一铜芯铁镍钴玻封合金引出端、第二铜芯铁镍钴玻封合金引出端和第三铜芯铁镍钴玻封合金引出端，所述电路板A上布设的第一二极管D1的阳极与所述第一铜芯铁镍钴玻封合金引出端连接，所述第二铜芯铁镍钴玻封合金引出端连接至所述电路板A上的电源负极，所述第三铜芯铁镍钴玻封合金引出端连接至布设于所述电路板A的第二三极管V2的集电极；输入电源正负极分别经所述第一铜芯铁镍钴玻封合金引出端和所述第二铜芯铁镍钴玻封合金引出端加载于所述输入电路；所述输出组件包括布设有本发明所提供的输出电路的电路板B、第四铜芯铁镍钴玻封合金引出端和第五铜芯铁镍钴玻封合金引出端，所述第四铜芯铁镍钴玻封合金引出端和所述第五铜芯铁镍钴玻封合金引出端分别连接至布设于所述电路板B上第三三极管V3的漏极和第四三极管V4的漏极，所述第三三极管V3的源极和第四三极管V4的源极还连接至所述第三铜芯铁镍钴玻封合金引出端。
该固态继电器结合了本发明所提供输入电路和输出电路，使该继电器可以提供更小输出电阻，降低了自身功耗，提供更大的输出功率。此外，本发明所提供的固态继电器负载能力强、可靠性高、绝缘电阻高、过负载能力强、可靠性高、耐盐雾能力强；同时，具有控制速度快，驱动能量需求少，与计算机数字控制系统兼容，环境适应性强的特点。
具体的，所述第一铜芯铁镍钴玻封合金引出端、所述第二铜芯铁镍钴玻封合金引出端、所述第三铜芯铁镍钴玻封合金引出端、所述第四铜芯铁镍钴玻封合金引出端和所述第五铜芯铁镍钴玻封合金引出端分别设置于所述底座上。
具体的，所述第一铜芯铁镍钴玻封合金引出端、所述第二铜芯铁镍钴玻封合金引出端、所述第三铜芯铁镍钴玻封合金引出端、所述第四铜芯铁镍钴玻封合金引出端和所述第五铜芯铁镍钴玻封合金引出端延伸出所述底座一端的外周分别套装有第一绝缘子、第二绝缘子、第三绝缘子、第四绝缘子和第五绝缘子。绝缘子起到了绝缘作用，保证了整个固态继电器的电气性能。
具体的，所述密封腔体的长小于21.8mm，宽小于12.8mm，高小于10mm。外形尺寸设计为21.8mm×12.8mm×10mm，使本发明所提供的固态继电器具有结构紧凑，体积小巧，重量轻，重量小于8g；在体积和重量条件限制下，保证了输出电阻小、自身功耗低、以及输出功率大。
本发明的有益效果是：具有负载能力强、可靠性高、绝缘电阻高、过负载能力强、可靠性高、耐盐雾能力强；具有控制速度快，驱动能量需求少；外形尺寸设计为21.8mm×12.8mm×10mm，使本发明所提供的固态继电器具有结构紧凑，体积小巧，重量轻，重量小于8g；在体积和重量条件限制下，保证了输出电阻小、自身功耗低、以及输出功率大。
附图说明
图1为本发明所提供的输入电路和输出电路的结合图；
图2为本发明所提供的固态继电器的仰视图；
图3为本发明所提供的固态继电器输入组件的结构示意图；
图4为本发明所提供的固态继电器输出组件的结构示意图；
图5为本发明所提供的固态继电器输入组件与输出组件的装配图；
图6为本发明所提供的固态继电器的密封结构图；
图中：1-底座，2-罩壳，3-电路板A，4-第一铜芯铁镍钴玻封合金引出端，5-第二铜芯铁镍钴玻封合金引出端，6-第三铜芯铁镍钴玻封合金引出端，7-电路板B，8-第四铜芯铁镍钴玻封合金引出端，9-第五铜芯铁镍钴玻封合金引出端，10-第一绝缘子，11-第二绝缘子，12-第三绝缘子，13-第四绝缘子，14-第五绝缘子，15-第一铝铜过渡片，16-第二铝铜过渡片，17-φ380μm铝丝，18-φ50μm硅铝丝，19-第一连接片，20-第二连接片，21-第三连接片，22-第六铜芯铁镍钴玻封合金引出端，23-第六绝缘子。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
如图1-6所示，本发明在此要求保护的技术方案包括用于固态继电器的输入电路、用于固态继电器的输出电路以及包括了该输入电路和输出电路的固态继电器。
如图1-6所示，本发明所提供的固态继电器包括底座1和罩壳2，罩壳2与底座1之间气密式密封，形成密封腔体；密封腔体内安装有输入组件和输出组件。其中，输入组件包括布设有输入电路的电路板A3、第一铜芯铁镍钴玻封合金引出端4、第二铜芯铁镍钴玻封合金引出端5和第三铜芯铁镍钴玻封合金引出端6，其中电路板A3为双面覆铜玻璃布层压板，第一铜芯铁镍钴玻封合金引出端4、第二铜芯铁镍钴玻封合金引出端5和第三铜芯铁镍钴玻封合金引出端6的一端通过焊接方式固定于电路板A3上，另一端延伸出底座1，延伸出底座1的长度为1mm。布设于电路板A3上的输入电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一三极管V1、第二三极管V4和变压器T1，第一电阻R1和电阻R2串联于输入电源正负极之间，第一二极管D1串联于第一电阻R1和输入电源正极之间；第一三极管V1的基极连接于第一电阻R1和第二电阻R2相连接的一端，第一电容C1串联于第一二极管D1的阴极和第一三极管V1的基极之间，第二电容C2串联于第一三极管V1的基极和第一三极管V1的发射极之间，第三电容C3串联于第一三极管V1的集电极和第一三极管V1的发射极之间；第一三极管V1的发射极还经第三电阻R3接输入电源负极；第一三极管V1的集电极接变压器T1初级线圈的一端，变压器T1初级线圈的另一端接第一二极管D1的阴极；变压器T1次级线圈的一端连接至第二二极管D2的阳极；第四电阻R4和第四电容C4并联于第二二极管D2的阴极和变压器T1次级线圈的另一端之间，第二二极管D2的阴极还同时与第二三极管V2的基极和第三二极管D3的阳极连接，第三二极管D3的阴极与第二三极管V2的发射极连接，第二三极管V2的集电极接变压器T1次级线圈的另一端；第二三极管V2的发射极作为输入电路的正极输出端，第二三极管V2的集电极作为输入电路的负极输出端。第一铜芯铁镍钴玻封合金引出端4与第一二极管D1的阳极连接，第二铜芯铁镍钴玻封合金引出端5连接至输入电路的输入电源的负极端，输入电源经第一铜芯铁镍钴玻封合金引出端4和第二铜芯铁镍钴玻封合金引出端5加载于输入电路的电源正负极之间。
该固态继电器中安装的输出组件包括布设有输出电路的电路板B7、第四铜芯铁镍钴玻封合金引出端8、第五铜芯铁镍钴玻封合金引出端9、第一铝铜过渡片15和第二铝铜过渡片16，其中，电路板B7为双面覆铜氧化铝板，第四铜芯铁镍钴玻封合金引出端8和第五铜芯铁镍钴玻封合金引出端9的一端通过焊接方式固定于电路板A3上，另一端延伸出底座1，延伸出底座1的长度为1mm。布设于电路板B7上的输出电路包括第三三极管V3、第四三极管V4、第一稳压二极管D4和第二稳压二极管D5，第三三极管V3的源极通过三根φ380μm铝丝17与第一铝铜过渡片15连接，第三三极管V3的源极还通过一根φ50μm硅铝丝18与第一稳压二极管D4的阳极，第三三极管V3的漏极通过第一连接片19与第四铜芯铁镍钴玻封合金引出端8连接，第三三极管V3的栅极通过一根φ50μm硅铝丝18与第一稳压二极管D4的阴极连接。第四三极管V4的源极通过三根φ380μm铝丝17与第二铝铜过渡片16连接，第四三极管V4的源极通过一根φ50μm硅铝丝18与第二稳压管D5阴极连接，第四三极管V4的漏极通过第二连接片20与第五铜芯铁镍钴玻封合金引出端9连接，第四三极管V4的栅极通过一根φ50μm硅铝丝18与第二稳压二极管D5的阴极连接。第三三极管V3的源极和第四三极管V4的源极还通过第三连接片21连接至第三铜芯铁镍钴玻封合金引出端6。其中，铝铜过渡片用于φ380μm铝丝键合连接。连接片采用无氧铜材质，载流能力强，用于电气连接。
此外本发明所提供的该继电器还包括第六铜芯铁镍钴玻封合金引出端22，该引出端无电气连接关系，一端焊接在电路板B7上，另一端延伸出底座1，延伸出底座1的长度为1mm，起支撑稳定电路板B7的作用。
其中，双面覆铜玻璃布层压板位于双面覆铜氧化铝板的上方，采用焊接方式组装，具体可以将双面覆铜氧化铝板安装于底座1上。第一三极管V1和第二三极管V2可以采用PNP三极管，也可以采用NPN三极管，还可以是第一三极管V1采用NPN，第二三极管V2采用PNP；第三三极管V3和第四三极管V4采用场效应管，具体的第三三极管V3和第四三极管V4采用P沟道增强型VDMOS，降低了输出电阻，从而降低了功耗，P沟道增强型VDMOS属于电压型器件，只需较小的电流就可控制较大的输出电流，实现了大功率输出、负载能力强。产品制造中采用多芯片组装工艺保证了产品的可靠性。外壳采用镀镍处理、引出端采用镀金处理增强了产品的耐盐雾能力。通过变压器和陶瓷覆铜板隔离达到了高绝缘电阻的要求。
底座1和罩壳2构成的密封腔体的尺寸为：长小于21.8mm，宽小于12.8mm，高小于10mm。此外，本发明所提供的固态继电器中的第一铜芯铁镍钴玻封合金引出端4、第二铜芯铁镍钴玻封合金引出端5、第三铜芯铁镍钴玻封合金引出端6、第四铜芯铁镍钴玻封合金引出端8、第五铜芯铁镍钴玻封合金引出端9和第六铜芯铁镍钴玻封合金引出端22延伸出底座1一端的外周分别套装有第一绝缘子10、第二绝缘子11、第三绝缘子12、第四绝缘子13、第五绝缘子14和第六绝缘子23。绝缘子具有绝缘作用，第一绝缘子10、第二绝缘子11、第三绝缘子12、第四绝缘子13、第五绝缘子14和第六绝缘子23为玻璃绝缘子或陶瓷绝缘子。
此外，本发明所提供的固态继电器标志采用罩壳2顶部激光镭射打标，打标时，最高工作温度105℃，最低工作温度-55℃，耐冲击1500g/0.5ms，耐振动30g/(10Hz～2000Hz)，隔离电容小于10pF，介质耐压大于1000V，绝缘电阻大于2000MΩ。此外，本发明所提供的固态继电器的底座1和罩壳2两者之间采用气密式方式实现密封，避免了现有的固态继电器整体式铣加工结构，体积大而笨重，耐冲击差，可靠性差，不能满足航空航天、军用舰船、导弹、装甲武器等领域的使用要求。
本发明所提供的固态继电器根据使用环境确定输入电路和输出电路上各元器件的参数，在此本发明所提供的固态继电器输出双向配置时输出电流不小于5Ad.c.，输出直流配置时输出电流不小于10Ad.c.；所述超小型大功率固态继电器输出双向配置、直流配置输出电压均为80Vd.c.；所述超小型大功率固态继电器直流配置时过负载电流为80Ad.c.；所述超小型大功率固态继电器二端口输入，输入电压为5Vd.c.，输入电流为7m Ad.c。
本发明所提供的固态继电器采用气密式密封，多层、多芯片组装结构，体积小、重量轻、负载能力强、可靠性高、绝缘电阻高、过负载能力强、可靠性高、耐盐雾能力强；同时，具有控制速度快，驱动能量需求少，与计算机数字控制系统兼容，环境适应性强的特点。
Claims (7)
1.一种用于固态继电器的输入电路，其特征在于：该输入电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一三极管V1、第二三极管V4和变压器T1，所述第一电阻R1和所述电阻R2串联于输入电源正负极之间，所述第一二极管D1串联于所述第一电阻R1和输入电源正极之间；所述第一三极管V1的基极连接于所述第一电阻R1和所述第二电阻R2相连接的一端，所述第一电容C1串联于所述第一二极管D1的阴极和所述第一三极管V1的基极之间，所述第二电容C2串联于所述第一三极管V1的基极和所述第一三极管V1的发射极之间，所述第三电容C3串联于所述第一三极管V1的集电极和所述第一三极管V1的发射极之间；所述第一三极管V1的发射极还经所述第三电阻R3接电源负极；所述第一三极管V1的集电极接所述变压器T1初级线圈的一端，所述变压器T1初级线圈的另一端接所述第一二极管D1的阴极；所述变压器T1次级线圈的一端连接至所述第二二极管D2的阳极，所述第四电阻R4和第四电容C4并联于所述第二二极管D2的阴极和所述变压器T1次级线圈的另一端之间，所述第二二极管D2的阴极还同时与所述第二三极管V2的基极和所述第三二极管D3的阳极连接，所述第三二极管D3的阴极与所述第二三极管V2的发射极连接，所述第二三极管V2的集电极接变压器T1次级线圈的另一端；所述第二三极管V2的发射极作为输入电路的正极输出端，所述第二三极管V2的集电极作为输入电路的负极输出端。
2.一种用于固态继电器的输出电路，其特征在于：该输出电路包括第三三极管V3、第四三极管V4、第一稳压二极管D4和第二稳压二极管D5，所述第一稳压二极管D4的阳极和阴极分别作为输入电路的输入端，所述第二稳压二极管D5并联于所述第一稳压二极管D4的两端；所述第二稳压二极管D5的阴极分别与所述第三三极管V3的栅极和所述第四三极管V4的栅极连接，所述第二稳压二极管D5的阳极分别与所述第三三极管V3的源极和所述第四三极管V4的源极连接，所述第三三极管V3的漏极和所述第四三极管V4的漏极作为输出电路的输出端。
3.一种固态继电器，其特征在于：该继电器包括底座(1)和罩壳(2)，所述底座(1)和所述罩壳(2)形成密封腔体，所述密封腔体内安装有输入组件和输出组件；所述输入组件包括布设有权利要求1所述的输入电路的电路板A(3)、第一铜芯铁镍钴玻封合金引出端(4)、第二铜芯铁镍钴玻封合金引出端(5)和第三铜芯铁镍钴玻封合金引出端(6)，所述电路板A(3)上布设的第一二极管D1的阳极与所述第一铜芯铁镍钴玻封合金引出端(4)连接，所述第二铜芯铁镍钴玻封合金引出端(5)连接至所述电路板A(3)上的电源负极，所述第三铜芯铁镍钴玻封合金引出端(6)连接至布设于所述电路板A(3)的第二三极管V2的集电极；输入电源正负极分别经所述第一铜芯铁镍钴玻封合金引出端(4)和所述第二铜芯铁镍钴玻封合金引出端(5)加载于所述输入电路；所述输出组件包括布设有权利要求2所述的输出电路的电路板B(7)、第四铜芯铁镍钴玻封合金引出端(8)和第五铜芯铁镍钴玻封合金引出端(9)，所述第四铜芯铁镍钴玻封合金引出端(8)和所述第五铜芯铁镍钴玻封合金引出端(9)分别连接至布设于所述电路板B(7)上第三三极管V3的漏极和第四三极管V4的漏极，所述第三三极管V3的源极和第四三极管V4的源极还连接至所述第三铜芯铁镍钴玻封合金引出端(6)。
4.根据权利要求3所述的一种固态继电器，其特征在于：所述第一铜芯铁镍钴玻封合金引出端(4)、所述第二铜芯铁镍钴玻封合金引出端(5)、所述第三铜芯铁镍钴玻封合金引出端(6)、所述第四铜芯铁镍钴玻封合金引出端(8)和所述第五铜芯铁镍钴玻封合金引出端(9)分别设置于所述底座(1)上。
5.根据权利要求3或4所述的一种固态继电器，其特征在于：所述第一铜芯铁镍钴玻封合金引出端(4)、所述第二铜芯铁镍钴玻封合金引出端(5)、所述第三铜芯铁镍钴玻封合金引出端(6)、所述第四铜芯铁镍钴玻封合金引出端(8)和所述第五铜芯铁镍钴玻封合金引出端(9)延伸出所述底座(1)一端的外周分别套装有第一绝缘子(10)、第二绝缘子(11)、第三绝缘子(12)、第四绝缘子(13)和第五绝缘子(14)。
6.根据权利要求3或4所述的一种固态继电器，其特征在于：所述密封腔体的长小于21.8mm，宽小于12.8mm，高小于10mm。
7.根据权利要求5所述的一种固态继电器，其特征在于：所述密封腔体的长小于21.8mm，宽小于12.8mm，高小于10mm。
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