CN1913353A - 直流固态继电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流固态继电器，包括输入电路、响应输入电路的输出信号并执行开关动作的电子开关电路，输入电路包括光电二极管，光电二极管的输入端用于与外接电路相连，正、负输出端耦合到电子开关电路。本发明用光电二极管作为继电器的输入、输出隔离电路，由于光电二极管性能稳定，从而提高了继电器的可靠性，并且简化了设计，只需要四个端口，较现有技术中采用光隔的固态继电器减少了一个端口。

Description

直流固态继电器

【技术领域】

本发明涉及一种继电器，尤其涉及一种通过半导体隔离和完成开关切换的直流固态继电器。

【背景技术】

随着现代电子技术的发展，对于隔离驱动、隔离切换电路场合，已经由传统单一的机械继电器发展到目前光电隔离固态继电器广泛应用的局面；光电继电器与传统的机械继电器相比有着显而易见优点：体积小容量大、切换电压高、无触点抗震性强，因而得以广泛应用于工业、交通运输工具等条件恶劣的场合。

例如，中国专利申请号为90102510、公开日为1991年06月19日、专利名称是“大功率高耐压直流固态继电器”的申请案公开了一种固态继电器，它的开关电路采用MOS管，实现了大功率高耐压。其不足之处在于，它没有过流保护，对于瞬间产生的大电流或负载短路故障时，往往对固态继电器内部电路造成损坏。

又如，中国专利申请号为94226636、公开日为1994年12月14日，专利名称是“一种带过流保护的直流固态继电器”中公开了一种固态继电器，该继电器实现具有过流保护功能，但其不足之处是它采用的是光隔器件，开关电路采用晶体管，且需要增加输出电流测试电阻，导致所存在的不足包括以下几点：

一、采用光隔和晶体管，这两种器件可靠性不高，电参数漂移，导致整个产品可靠性下降。

二、采用晶体管驱动开关管，控制电路损耗大，特别是当输入电路有输入时，开关管不工作，而输入电路无输入时，开关管工作，整个的输出电路损耗大；

三、采用晶体管为开关管，开关电路不能实现大功率高耐压，且损耗大；

四、过流保护中采用输出电流测试电阻，容易产生热，除了开关电路损耗能量外，增加的采样电阻也损耗能量，且采样电阻价格较高。

【发明内容】

本发明的主要目的就是为了解决现有技术的问题，提供一种直流固态继电器，能够提高继电器的可靠性。

本发明的次一目的就是提供一种带有过流保护功能的直流固态继电器，设计简单，并可以实现大功率、高耐压和减少继电器的损耗。

本发明的再一目的就是提供一种直流固态继电器，能够对继电器进行过流保护和非正常启动保护。

为实现上述目的，本发明提出的一种直流固态继电器，包括输入电路、响应输入电路的输出信号并执行开关动作的电子开关电路，所述输入电路包括光电二极管，所述光电二极管的输入端用于与外接电路相连，正、负输出端耦合到电子开关电路。

本发明的进一步改善是：还包括连接在输入电路和电子开关电路之间的控制电路，所述控制电路包括正常启动单元和过流保护单元；所述正常启动单元响应输入电路的输出信号，输出端耦合到电子开关电路的控制端；所述过流保护单元采样电子开关电路的第一输出端的电压信号，过流保护单元的输出端耦合到电子开关电路的控制端。

所述正常启动单元包括第一电阻、第一电容、第二电阻和第一开关管，所述过流保护单元包括第五电阻、第二电容、第四电阻和第二开关管；所述第一电阻和第一电容串联后连接在光电二极管的正、负输出端之间，所述第二电阻并联在第一电容的两端；所述第五电阻和第二电容串联后连接在电子开关电路的第一、第二输出端之间，所述第四电阻并联在第二电容的两端；所述第一开关管和第二开关管串联后连接在电子开关电路的控制端和第二输出端之间，第一开关管的控制极连接在第一电阻和第一电容的串联中点，第二开关管的控制极连接在第五电阻和第二电容的串联中点；所述光电二极管的正输出端耦合到电子开关电路的控制端，负输出端耦合到电子开关电路的第二输出端。

优选的，所述第一开关管和第二开关管为MOS开关管。

本发明的更进一步改善是：所述电子开关电路包括MOS开关管，所述MOS开关管的栅极响应光电二极管正输出端输出的信号，源极和漏极分别用于作为电子开关电路的第一和第二输出端。

本发明的有益效果是：1)用光电二极管作为继电器的输入、输出隔离电路，由于光电二极管性能稳定，从而提高了继电器的可靠性。2)并且简化了设计。隔离电路采用光电二极管，所制成的固态继电器只有四个端口(即：输入两个，输出两个)，而现有技术中通常采用光隔所制成的固态继电器需要五个端口，另外一个端口需要给光隔副边提供工作能源。3)本发明的控制电路设计简单，并具有正常启动功能、过流保护功能和非正常启动保护功能，设计可靠性高。所采用的控制电路都是采用MOS管驱动，可以实现大功率、高耐压，减小损耗，且只有光电二极管有输入时，控制电路方需要能源，进一步减少了损耗。4)本发明的电子开关电路采用MOS开关管，具有高功率高耐压，低阻抗的特性，MOS开关管除了实现开关的功能外，由于MOS具有良好的导通电阻特性，当大电流通过时，同时给过流保护电路提供采样电压，选取不同的导通电阻得到不同的需要保护的电流值。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本发明的电路方框图；

图2是本发明的一种实施例的电路图；

图3是图2正常启动状态下各开关管的导通和断开状况；

图4是图2非正常启动状态下各开关管的导通和断开状况。

【具体实施方式】

如图1所示，直流固态继电器包括顺序相连的输入电路1、控制电路2和电子开关电路3，输入电路1作为继电器的输入端，电子开关电路3的第一、第二输出端作为继电器的输出端，可根据输入端的电流有无控制电子开关电路3的导通和断开，从而使被继电器控制的外接电路接通或断开。由于输入电路中采用光电二极管作为输入和输出的隔离，光电二极管只有两个输入端和两个输出端，不需要另外设计一个副边偏置电压端，所以本实施例的直流固态继电器只有两个输入端和两个输出端。

请参照图2、3、4，以下具体说明本实施例的电路结构和工作机理。

输入电路1包括光电二极管B1，其输入端IN+、IN-串接在外接电路中，光电二极管B1作输入与输出部分的电隔离。电子开关电路3包括第三开关管Q3，第三开关管Q3优选为N沟道大功率金属氧化物场效应管(MOS管)，其漏极和源极作为继电器的输出端串接在外接电路中。光电二极管B1的正输出端0+通过限流电阻R3连接第三开关管Q3的栅极。

控制电路2包括正常启动电路和过流保护电路，正常启动电路包括第一电阻R1、第一电容C1、第二电阻R2和第一开关管Q1，第一电阻R1和第一电容C1串联后连接在光电二极管B1的正、负输出端0+、0-之间，第二电阻R2并联在第一电容C1的两端，第一开关管Q1的控制极连接在第一电阻R1和第一电容C1的串联中点，第一开关管Q1优选为N沟道MOS管，即第一开关管Q1的栅极连接在第一电阻R1和第一电容C1的串联中点。过流保护电路包括第五电阻R5、第二电容C2、第四电阻R4和第二开关管Q2；第五电阻和R5第二电容C2串联后连接在第三开关管Q3的漏极和源极之间，第四电阻R4并联在第二电容C2的两端，第二开关管Q2控制极连接在第五电阻R5和第二电容C2的串联中点，第二开关管Q2也优选为N沟道MOS管，即第二开关管Q2的栅极连接在第五电阻R5和第二电容C2的串联中点；第一开关管Q1和第二开关管Q2串联后连接在第三开关管Q3的栅极和源极之间。过流保护电路还可以进一步包括稳压二极管DZ1，稳压二极管DZ1的阳极连接第三开关管Q3的源极，阴极连接第二开关管Q2的栅极，以保护第二开关管Q2的栅极。

当在光电二极管B1的输入端IN+、IN-端口施加几毫安正向电流时将会在光电二极管B1的正负输出端0+、0-输出9到10伏的电压，用来驱动第三开关管Q3；第三开关管Q3根据需要驱动的电压以及电流可以选择适当的参数。

正常启动的工作原理：当光电二极管B1施加正向电流时，其正负输出端0+、0-两点产生9V电压，由于第一电容C1的电压不能跳变的作用，第一电阻R1和第一电容C1的串联中点G1点电压上升到第一开关管Q1导通的门限值需要一段时间t1，t1由第一电阻R1和第一电容C1的参数决定；因此在光电二极管B1输出电压的一段时间内，由于第一开关管Q1处于断开截止状态，使得第三开关管Q3的栅极G3点的电压跟随0+立即上升，第三开关管Q3立即导通，即继电器的输出端OUT+、OUT-端口的压降到达导通电压。而第一电容C1在初始状态时，由于第三开关管Q3处于截止状态，第二电容C2已处于充满电的状态，因此第三开关管Q3导通后第二电容C2将通过第四电阻R4放电，放电到使得第五电阻R5和第二电容C2的串联中点G2点电压小于第二开关管Q2导通的门限电压时需要时间t2，t2由第二电容C2、第四电阻R4参数决定；通过调整参数使得t1＞t2，因此当第二开关管Q2截止后直到t1时刻，第一开关管Q1才导通，保证第一开关管Q1、第二开关管Q2回路始终保持截止状态，第三开关管Q3正常导通。

过流保护原理如下：正常导通后过流，在正常导通后状态，当输出通道过流或短路出现时，第三开关管Q3的压降U34上升，通过第五电阻R5给第二电容C2充电，使得在t3时间内，G2点到达第二开关管Q2的导通门限电压，由于第二开关管Q2导通，第一开关管Q1、第二开关管Q2回路将G3点电压拉低，关断第三开关管Q3，实现保护目的。其中t3由第五电阻R5、第二电容C2参数以及过流产生的压降U34决定。

如图3所示为正常启动状态下各个开关管的导通和截止情况，高水平线代表开关管导通，低水平线代表开关管截止。t1为第一开关管Q1导通的时刻，t2为第二开关管Q2截止时刻，由于t1＞t2，所以在t2时刻之前，第一开关管Q1截止，第二开关管Q2导通，第三开关管Q3导通。t2到t1时刻之间，第一开关管Q1截止，第二开关管Q2截止，第三开关管Q3导通。到t1时刻以后，过流后t 3时刻之前，第一开关管Q1导通，第二开关管Q2截止，第三开关管Q3导通。可见在第三开关管Q3导通期间，第一开关管Q1和第二开关管Q2不会同时导通。当发生过流后在t3时刻，由于第二电容C2被充电，使得第二开关管Q2再度导通，此时，第一开关管Q1和第二开关管Q2都处于导通状态，第一开关管Q1和第二开关管Q2将G3点电压拉低，第三开关管Q3截止。

非正常启动保护原理如下：非正常启动即在外部负载短路、过流的情况下试图开通。上述正常情况下G3点电压上升时第三开关管Q3压降小，使得第二电容C2通过第四电阻R4放电。而预先负载过流时，第三开关管Q3压降将一直较高，第二电容C2构不成放电，因此第二开关管Q2一直导通，t1时间过后，第一开关管Q1导通，G3点电压拉低，使得第三开关管Q3处于截止状态，达到保护目的。

如图4所示为非正常启动状态下各个开关管的导通和截止情况，在t1时刻之前，第一开关管Q1截止，第二开关管Q2导通，第三开关管Q3导通。到t1时刻以后，第一开关管Q1也导通，第二开关管Q2仍然导通，此时第一开关管Q1和第二开关管Q2都处于导通状态，第一开关管Q1和第二开关管Q2将G3点电压拉低，第三开关管Q3截止。

经验证，该电路在不同电压DC，选取适当的器件参数，可以实现不同规格的光电隔离驱动，保护效果很好。调整R5*C2可以实现不同的保护速度，越小越迅速；尽量选择R1*C1、R4使得t1、t2变小，可以获得更好的非正常启动保护特性。

Claims (6)

1.一种直流固态继电器，包括输入电路、响应输入电路的输出信号并执行开关动作的电子开关电路，其特征在于：所述输入电路包括光电二极管，所述光电二极管的输入端用于与外接电路相连，正、负输出端耦合到电子开关电路。

2.如权利要求1所述的直流固态继电器，其特征在于：还包括连接在输入电路和电子开关电路之间的控制电路，所述控制电路包括正常启动单元和过流保护单元；所述正常启动单元响应输入电路的输出信号，输出端耦合到电子开关电路的控制端；所述过流保护单元采样电子开关电路的第一输出端的电压信号，过流保护单元的输出端耦合到电子开关电路的控制端。

3.如权利要求2所述的直流固态继电器，其特征在于：所述正常启动单元包括第一电阻(R1)、第一电容(C1)、第二电阻(R2)和第一开关管(Q1)，所述过流保护单元包括第五电阻(R5)、第二电容(C2)、第四电阻(R4)和第二开关管(Q2)；所述第一电阻(R1)和第一电容(C1)串联后连接在光电二极管的正、负输出端之间，所述第二电阻(R2)并联在第一电容(C1)的两端；所述第五电阻(R5)和第二电容(C2)串联后连接在电子开关电路的第一、第二输出端之间，所述第四电阻(R4)并联在第二电容(C2)的两端；所述第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)串联后连接在电子开关电路的控制端和第二输出端之间，第一开关管(Q1)的控制极连接在第一电阻(R1)和第一电容(C1)的串联中点，第二开关管(Q2)的控制极连接在第五电阻(R5)和第二电容(C2)的串联中点；所述光电二极管的正输出端耦合到电子开关电路的控制端，负输出端耦合到电子开关电路的第二输出端。

4.如权利要求3所述的直流固态继电器，其特征在于：所述第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)为MOS开关管。

5.如权利要求4所述的直流固态继电器，其特征在于：还包括连接在光电二极管的正输出端和电子开关电路的控制端之间的限流电阻。

6.如权利要求1至5中任一项所述的直流固态继电器，其特征在于：所述电子开关电路包括MOS开关管，所述MOS开关管的栅极响应光电二极管正输出端输出的信号，源极和漏极分别用于作为电子开关电路的第一和第二输出端。

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