CN115694460A - 具有状态监测功能的固态继电器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能监测技术领域，提出了具有状态监测功能的固态继电器，包括可控硅SCR，可控硅SCR用于串联在主回路中，还包括驱动电路，驱动电路包括MOS管Q1、MOS管Q2和二极管D7，MOS管Q1的栅极与主控芯片连接，MOS管Q1的漏极与电源24V连接，MOS管Q1的源极与二极管D7的阴极连接，二极管D7的阳极与电源12V连接，MOS管Q1的源极还通过电阻R3连接MOS管Q2的漏极，MOS管Q2的栅极与主控芯片连接，MOS管Q2的源极接地，MOS管Q1的源极接入可控硅SCR的门极。通过上述技术方案，解决了现有技术中固态继电器导通损耗大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及智能监测技术领域，具体的，涉及具有状态监测功能的固态继电器。
背景技术
固态继电器(SOLIDSTATERELAYS，以下简写成“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)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”。固态继电器已广泛应用于计算机外围接口设备、恒温系统、调温、电炉加温控制、电机控制、数控机械，遥控系统、工业自动化装置；信号灯、调光、闪烁器、照明舞台灯光控制系统；仪器仪表、医疗器械、复印机、自动洗衣机；自动消防，保安系统，以及作为电网功率因素补偿的电力电容的切换开关等等，另外在化工、煤矿等需防爆、防潮、防腐蚀场合中都有大量使用。
固态继电器的理想驱动信号如图1所示，包括强脉冲时间和平顶脉冲时间，其中平顶脉冲时间的幅值小于强脉冲时间的幅值，但是实际的驱动信号中，强脉冲时间和平顶脉冲时间均采用强脉冲时间的幅值，导致固态继电器的导通损坏大。
发明内容
本发明提出具有状态监测功能的固态继电器，解决了相关技术中固态继电器导通损耗大的问题。
本发明的技术方案如下：包括可控硅SCR，所述可控硅SCR用于串联在主回路中，还包括驱动电路，所述驱动电路包括MOS管Q1、MOS管Q2和二极管D7，所述MOS管Q1的栅极与主控芯片连接，所述MOS管Q1的漏极与电源24V连接，所述MOS管Q1的源极与二极管D7的阴极连接，所述二极管D7的阳极与电源12V连接，
所述MOS管Q1的源极还通过电阻R3连接所述MOS管Q2的漏极，所述MOS管Q2的栅极与主控芯片连接，所述MOS管Q2的源极接地，
所述MOS管Q1的源极接入所述可控硅SCR的门极。
进一步，所述MOS管Q1的栅极通过光耦U7、三极管Q3连接主控芯片，所述光耦U7的输入端与所述主控芯片连接，所述光耦U7的输出端包括输出三极管，所述输出三极管的发射极接地，所述输出三极管的集电极接入所述三极管Q3的基极，所述三极管Q3的发射极与电源24V连接，所述三极管Q3的集电极接入所述输出三极管的基极，所述三极管Q3的集电极通过电阻R17接地，所述三极管Q3的集电极接入所述MOS管Q1的栅极。
进一步，所述MOS管Q2的栅极通过光耦U8、三极管Q4连接主控芯片，所述光耦U8的输入端与所述主控芯片连接，所述光耦U8的输出端包括输出三极管，所述输出三极管的发射极接地，所述输出三极管的集电极接入所述三极管Q4的基极，所述三极管Q4的发射极与电源24V连接，所述三极管Q4的集电极接入所述输出三极管的基极，所述三极管Q4的集电极通过电阻R24接地，所述三极管Q4的集电极接入所述MOS管Q2的栅极。
进一步，还包括主回路电流检测电路，所述主回路电流检测电路包括依次连接的电流采集电路、整流电路和有效值转换电路，所述有效值检测电路与所述主控芯片连接，
所述电流采集电路包括依次连接的罗氏线圈和运放U1A，所述罗氏线圈用于检测所述主回路电流，所述罗氏线圈的输出端接入所述运放U1A的反相输入端，所述运放U1A的同相输入端接地，所述运放U1A的输出端通过电容C1反馈至反相输入端，所述运放U1A的输出端作为所述电流采集电路的输出，接入所述整流电路。
进一步，所述电流采集电路还包括电阻R3，所述电阻R3并联在所述电容C1的两端。
进一步，所述整流电路包括电阻R11、电阻R10、运放U2A和运放U2B，所述电阻R11和所述电阻R10串联，所述电阻R11的一端与所述电流采集电路的输出端连接，所述电阻R10的一端接地，所述电阻R11和所述电阻R10的串联点接入所述运放U2A的同相输入端，所述运放U2A的输出端反馈连接至反相输入端，
所述运放U2A的输出端接入所述运放U2B的同相输入端，所述运放U2B的反相输入端通过电阻R9与所述电流采集电路的输出端连接，所述运放U2B的反相输入端通过电阻R5接地，所述运放U2B的输出端通过电阻R7反馈至反相输入端，所述运放U2B的输出端作为所述整流电路的输出，接入所述有效值转换电路。
进一步，所述整流电路和所述有效值转换电路之间设置有滤波电路，所述滤波电路包括电阻R8和电容C2，所述电阻R8的第一端与所述运放U2B的输出端连接，所述电阻R8的第二端通过电容C2接地，所述电阻R8的第二端作为所述滤波电路的输出。
进一步，所述有效值转换电路包括均方根转换芯片U4，所述均方根转换芯片U4的输入端与所述整流电路的输出连接，所述均方根转换芯片U4的输出端作为所述有效值转换电路的输出，
所述均方根转换芯片U4的RMS/OUT端与CAV端之间连接有电容C3，所述均方根转换芯片U4的RMS/OUT端还依次通过电阻R26、电阻R25和电容C4接地。
进一步，还包括至少一路温度监测电路，其中一路温度监测电路包括温度传感器U5，所述温度传感器U5的输出端通过电阻R15连接电源5V，所述温度传感器U5的输出端与主控芯片连接。
进一步，还包括通信模块，所述通信模块与所述主控芯片连接。
本发明的工作原理及有益效果为：
本发明采用MOS管Q1和MOS管Q2作为功率放大器件，对来自主控芯片的控制信号进行放大。当MOS管Q1和MOS管Q2均导通时，二极管D7截止，可控硅SCR门极电压为24V；当MOS管Q1截止、MOS管Q2导通时，二极管D7导通，可控硅SCR门极电压为12V；当MOS管Q1和MOS管Q2均截止时，可控硅SCR门极电压为0。通过控制MOS管Q1和MOS管Q2的导通时间，使加在可控硅SCR门极的驱动信号在强脉冲时间为24V，在平顶脉冲时间为12V，这样的驱动信号更接近理想驱动信号，有利于减小可控硅SCR的导通损耗。
其中，主控芯片能够接收指令，并根据指令输出高低电平，以控制MOS管Q1和MOS管Q2的通断。主控芯片可以采用目前通用的单片机、DSP、ARM等控制芯片，本实施例具体采用TMS320F2806。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1可控硅SCR的理想驱动信号示意图；
图2为本发明中电流采集电路原理图；
图3为本发明中整流电路原理图；
图4为本发明中有效值转换电路原理图；
图5为本发明中主回路电流检测电路原理图；
图6为本发明中温度监测电路原理图；
图中：1驱动电路，2电流采集电路，3整流电路，4有效值转换电路，5温度监测电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。
如图2所示，本实施例具有状态监测功能的固态继电器包括可控硅SCR，可控硅SCR用于串联在主回路中，还包括驱动电路，驱动电路包括MOS管Q1、MOS管Q2和二极管D7，MOS管Q1的栅极与主控芯片连接，MOS管Q1的漏极与电源24V连接，MOS管Q1的源极与二极管D7的阴极连接，二极管D7的阳极与电源12V连接，
MOS管Q1的源极还通过电阻R3连接MOS管Q2的漏极，MOS管Q2的栅极与主控芯片连接，MOS管Q2的源极接地，
MOS管Q1的源极接入可控硅SCR的门极。
本实施例采用MOS管Q1和MOS管Q2作为功率放大器件，对来自主控芯片的控制信号进行放大。当MOS管Q1和MOS管Q2均导通时，二极管D7截止，可控硅SCR门极电压为24V；当MOS管Q1截止、MOS管Q2导通时，二极管D7导通，可控硅SCR门极电压为12V；当MOS管Q1和MOS管Q2均截止时，可控硅SCR门极电压为0。通过控制MOS管Q1和MOS管Q2的导通时间，使加在可控硅SCR门极的驱动信号在强脉冲时间为24V，在平顶脉冲时间为12V，这样的驱动信号更接近理想驱动信号，有利于减小可控硅SCR的导通损耗。
其中，主控芯片能够接收指令，并根据指令输出高低电平，以控制MOS管Q1和MOS管Q2的通断。主控芯片可以采用目前通用的单片机、DSP、ARM等控制芯片，本实施例具体采用TMS320F2806。
进一步，如图2所示，MOS管Q1的栅极通过光耦U7、三极管Q3连接主控芯片，光耦U7的输入端与主控芯片连接，光耦U7的输出端包括输出三极管，输出三极管的发射极接地，输出三极管的集电极接入三极管Q3的基极，三极管Q3的发射极与电源24V连接，三极管Q3的集电极接入输出三极管的基极，三极管Q3的集电极通过电阻R17接地，三极管Q3的集电极接入MOS管Q1的栅极。
进一步，如图2所示，MOS管Q2的栅极通过光耦U8、三极管Q4连接主控芯片，光耦U8的输入端与主控芯片连接，光耦U8的输出端包括输出三极管，输出三极管的发射极接地，输出三极管的集电极接入三极管Q4的基极，三极管Q4的发射极与电源24V连接，三极管Q4的集电极接入输出三极管的基极，三极管Q4的集电极通过电阻R24接地，三极管Q4的集电极接入MOS管Q2的栅极。
当主控芯片输出高电平信号CTRL1到光耦U7的输入端，光耦U7的输出三极管导通，输出三极管的集电极接地，三极管Q3导通，MOS管Q1的栅极为高电平，MOS管Q1截止，反之，MOS管Q1导通；同理，当主控芯片输出高电平信号CTRL2到光耦U8的输入端，光耦U8的输出三极管导通，输出三极管的集电极接地，三极管Q4导通，MOS管Q2的栅极为高电平，MOS管Q2导通，反之，MOS管Q2截止。
本实施例中，光耦U7和光耦U8的具体型号为4N35，以光耦U7为例，输出三极管的基极引出，通过三极管Q3和电阻R19引入正反馈，不仅有利于提高光耦U7的驱动能力，而且提高光耦U7的开关反应速度。
主回路电流检测电路包括依次连接的电流采集电路、整流电路和有效值转换电路，有效值检测电路与主控芯片连接，
如图3所示，电流采集电路包括依次连接的罗氏线圈和运放U1A，罗氏线圈用于检测主回路电流，罗氏线圈的输出端接入运放U1A的反相输入端，运放U1A的同相输入端接地，运放U1A的输出端通过电容C1反馈至反相输入端，运放U1A的输出端作为电流采集电路的输出，接入整流电路。
本实施例中，主回路电流检测电路用于实时监测主回路的电流有效值，并通过该电流有效值判断可控硅SCR是否过载。其工作原理为：首先将罗氏线圈套设在主回路的导线上，罗氏线圈感应输出电压信号；运放U1A及电容C1构成积分电路，将罗氏线圈输出的电压信号进行积分，得到与主回路电流成比例的交流电压信号。该交流电压信号依次经整流电路整流、有效值转换电路之后，得到交流电压的有效值，该交流电压的有效值能够反映主回路电流的大小。
进一步，如图3所示，电流采集电路还包括电阻R3，电阻R3并联在电容C1的两端。
电阻R3并联在电容C1的两端，用于消除积分漂移，保证积分电路的长期稳定工作。
进一步，如图4所示，整流电路包括电阻R11、电阻R10、运放U2A和运放U2B，电阻R11和电阻R10串联，电阻R11的一端与电流采集电路的输出端连接，电阻R10的一端接地，电阻R11和电阻R10的串联点接入运放U2A的同相输入端，运放U2A的输出端反馈连接至反相输入端，
运放U2A的输出端接入运放U2B的同相输入端，运放U2B的反相输入端通过电阻R9与电流采集电路的输出端连接，运放U2B的反相输入端通过电阻R5接地，运放U2B的输出端通过电阻R7反馈至反相输入端，运放U2B的输出端作为整流电路的输出，接入有效值转换电路。
本实施例中，运放U2A连接为电压跟随器，运放U2B连接为减法电路，运放U2B的输出为整流电路的输出。
在电流采集电路输出电压Uia的正半周，运放U2A的输出为：
运放U2B的输出为：
即正半周时，整流电路的输出电压为电流采集电路的输出电压Uia。
在负半周时，运放U2A的输出为0；运放U2B的输出为：
即负半周时，整流电路的输出电压与电流采集电路的输出电压Uia反相，从而实现了电流采集电路的输出电压Uia的整流。
进一步，如图4所示，整流电路和有效值转换电路之间设置有滤波电路，滤波电路包括电阻R8和电容C2，电阻R8的第一端与运放U2B的输出端连接，电阻R8的第二端通过电容C2接地，电阻R8的第二端作为滤波电路的输出。
电阻R8和电容C1构成一阶低通滤波电路，用于滤除运放U2B输出电压中的高频干扰信号，避免高频干扰信号进入有效值转换电路。
进一步，如图5所示，有效值转换电路包括均方根转换芯片U4，均方根转换芯片U4的输入端与整流电路的输出连接，均方根转换芯片U4的输出端作为有效值转换电路的输出，
均方根转换芯片U4的RMS/OUT端与CAV端之间连接有电容C6，均方根转换芯片U4的RMS/OUT端还依次通过电阻R26、电阻R25和电容C4接地。
整流电路输出的脉动电压接入均方根转换芯片U4的输入端VIN，均方根转换芯片U4进行有效值的计算，并以直流电压的形式输出。其中，电容C6为滤波电容，可减少纹波电压产生的误差，电容C6的值越大，误差越小，但稳定时间会增加。电容C4、电阻R26和电阻R25组成双极型滤波器，可以不增加电容C6的情况下，减小纹波。
进一步，如图6所示，还包括至少一路温度监测电路，其中一路温度监测电路包括温度传感器U5，温度传感器U5的输出端通过电阻R15连接电源5V，温度传感器U5的输出端与主控芯片连接。
温度传感器U5用于实时监测可控硅SCR的温度，并发送至主控芯片，当温度超过第一设定值时，主控芯片可以输出报警信息，提示用于降额运行，或者打开风扇散热；当温度继续上升、超过第二设定值时，主控芯片输出故障信息，并立即关断可控硅SCR。
本实施例设置两路温度监测电路，当其中一路故障时，主控芯片可以通过另一路读取温度信息，避免引温度信号丢失导致可控硅SCR高温损坏。
进一步，还包括负载电压检测电路和电能计量芯片，所述电流采集电路和所述负载电压检测电路均与所述电能计量芯片连接，所述电能计量芯片与所述主控芯片连接。
具体的，在三相三线制电路中，以B相为参考，检测A、C相的电压、电流，分别接入电能计量芯片；在三相四线制电路中，以N线为参考，检测A、B、C三相的电压、电流，分别接入电能计量芯片。
本实施例中，通过电流采集电路可以得到主回流电流，即负载电流；通过负载电压检测电路检测负载电压，电流采集电路和负载电压检测电路的输出信号均接入电能计量芯片，电能计量芯片输出负载功率到主控芯片，实现主控芯片对负载有功功率、无功功率、功率因数、电压、电流的实时监测。
进一步，还包括有线控制接口和状态输出接口，所述主控芯片通过所述有线控制接口连接外部控制电路，所述外部控制电路包括外部控制器或按键控制电路。
本实施例固态继电器具有有线控制接口，外部控制指令可以通过该有线控制接口接入电路，主控芯片根据外部控制指令，控制固态继电器的工作。外部控制指令可以来自外部控制器(例如，PLC控制器)，或设置按键控制电路，通过控制按键的导通或关断，输入不同的控制指令。
同时，本实施例固态继电器还设置有反馈触点，通过在固态继电器内部设置一个固态继电器，固态继电器的触点作为反馈触点，当固态继电器导通或关断时，反馈触点对应的线圈通电或断电，反馈触点导通或断开，反馈触点的状态通过状态输出接口输出。
进一步，还包括通信模块，通信模块与主控芯片连接。
主回路电流、过载、温度、反馈触点电平信号等数据，可以由通信模块发送至远程服务器，工作人员通过远程服务器即可实时了解固态继电器的工作情况。同时，工作人员也可以通过远程服务器向主控芯片发送无线控制指令，实现继电器的远程控制。其中通信模块可以采用本领域常用的有线或无线通信电路，例如RS485通信、WIFI通信电路等，这里不作赘述。
需要说明的是，有线控制接口具有较高的优先级，当有线控制接口的信号有效时，不再响应无线控制指令。
进一步，为了便于工作人员现场查看主回路电流、过载、温度、反馈触点电平信号等数据，可以现场设置显示屏与主控芯片连接，将主回路电流、过载、温度等数据进行现场展示。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.具有状态监测功能的固态继电器，包括可控硅SCR，所述可控硅SCR用于串联在主回路中，其特征在于，还包括驱动电路(1)，所述驱动电路(1)包括MOS管Q1、MOS管Q2和二极管D7，所述MOS管Q1的栅极与主控芯片连接，所述MOS管Q1的漏极与电源24V连接，所述MOS管Q1的源极与二极管D7的阴极连接，所述二极管D7的阳极与电源12V连接，
所述MOS管Q1的源极还通过电阻R3连接所述MOS管Q2的漏极，所述MOS管Q2的栅极与主控芯片连接，所述MOS管Q2的源极接地，
所述MOS管Q1的源极接入所述可控硅SCR的门极。
2.根据权利要求1所述的具有状态监测功能的固态继电器，其特征在于，所述MOS管Q1的栅极通过光耦U7、三极管Q3连接主控芯片，所述光耦U7的输入端与所述主控芯片连接，所述光耦U7的输出端包括输出三极管，所述输出三极管的发射极接地，所述输出三极管的集电极接入所述三极管Q3的基极，所述三极管Q3的发射极与电源24V连接，所述三极管Q3的集电极接入所述输出三极管的基极，所述三极管Q3的集电极通过电阻R17接地，所述三极管Q3的集电极接入所述MOS管Q1的栅极。
3.根据权利要求1所述的具有状态监测功能的固态继电器，其特征在于，所述MOS管Q2的栅极通过光耦U8、三极管Q4连接主控芯片，所述光耦U8的输入端与所述主控芯片连接，所述光耦U8的输出端包括输出三极管，所述输出三极管的发射极接地，所述输出三极管的集电极接入所述三极管Q4的基极，所述三极管Q4的发射极与电源24V连接，所述三极管Q4的集电极接入所述输出三极管的基极，所述三极管Q4的集电极通过电阻R24接地，所述三极管Q4的集电极接入所述MOS管Q2的栅极。
4.根据权利要求1所述的具有状态监测功能的固态继电器，其特征在于，还包括主回路电流检测电路，所述主回路电流检测电路包括依次连接的电流采集电路(2)、整流电路(3)和有效值转换电路(4)，所述有效值检测电路与所述主控芯片连接，
所述电流采集电路(2)包括依次连接的罗氏线圈和运放U1A，所述罗氏线圈用于检测所述主回路电流，所述罗氏线圈的输出端接入所述运放U1A的反相输入端，所述运放U1A的同相输入端接地，所述运放U1A的输出端通过电容C1反馈至反相输入端，所述运放U1A的输出端作为所述电流采集电路(2)的输出，接入所述整流电路(3)。
5.根据权利要求4所述的具有状态监测功能的固态继电器，其特征在于，所述整流电路(3)包括电阻R11、电阻R10、运放U2A和运放U2B，所述电阻R11和所述电阻R10串联，所述电阻R11的一端与所述电流采集电路(2)的输出端连接，所述电阻R10的一端接地，所述电阻R11和所述电阻R10的串联点接入所述运放U2A的同相输入端，所述运放U2A的输出端反馈连接至反相输入端，
所述运放U2A的输出端接入所述运放U2B的同相输入端，所述运放U2B的反相输入端通过电阻R9与所述电流采集电路(2)的输出端连接，所述运放U2B的反相输入端通过电阻R5接地，所述运放U2B的输出端通过电阻R4反馈至反相输入端，所述运放U2B的输出端作为所述整流电路(3)的输出，接入所述有效值转换电路(4)。
6.根据权利要求4所述的具有状态监测功能的固态继电器，其特征在于，所述有效值转换电路(4)包括均方根转换芯片U4，所述均方根转换芯片U4的输入端与所述整流电路(3)的输出连接，所述均方根转换芯片U4的输出端作为所述有效值转换电路(4)的输出，
所述均方根转换芯片U4的RMS/OUT端与CAV端之间连接有电容C3，所述均方根转换芯片U4的RMS/OUT端还依次通过电阻R26、电阻R25和电容C4接地。
7.根据权利要求1所述的具有状态监测功能的固态继电器，其特征在于，还包括至少一路温度监测电路(5)，其中一路温度监测电路(5)包括温度传感器U5，所述温度传感器U5的输出端通过电阻R15连接电源5V，所述温度传感器U5的输出端与主控芯片连接。
8.根据权利要求1所述的具有状态监测功能的固态继电器，其特征在于，还包括负载电压检测电路和电能计量芯片，所述电流采集电路和所述负载电压检测电路均与所述电能计量芯片连接，所述电能计量芯片与所述主控芯片连接。
9.根据权利要求1所述的具有状态监测功能的固态继电器，其特征在于，还包括有线控制接口和状态输出接口，所述主控芯片通过所述有线控制接口连接外部控制电路，所述外部控制电路包括外部控制器或按键控制电路。
10.根据权利要求1所述的具有状态监测功能的固态继电器，其特征在于，还包括通信模块，所述通信模块与所述主控芯片连接。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116334349A (zh) * | 2023-04-13 | 2023-06-27 | 无锡东雄重型电炉有限公司 | 一种炼钢电炉加热数据采集调节模块 |
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2022
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