CN212969597U - 一种直流固态继电器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固态继电器，包括第一光耦、第二光耦、功率开关器件、积分电路和限压电路，所述第一光耦和第二光耦的输入串联形成所述固态继电器的输入回路；第一光耦的输出信号通过积分电路输出第一电压信号；第二光耦的输出信号通过限压电路输出第二电压信号；所述积分电路和所述限压电路的输出串联，所述第一电压信号和所述第二电压信号叠加输出第三电压信号，用于控制所述功率开关器件的通断；所述功率开关器件用于所述直流固态继电器的输出控制；所述限压电路的限压阈值高于所述第一开关器件的导通阈值0.05V‑0.5V。本实用新型的固态继电器具备快速响应同时缓慢导通的能力，可在响应速度不变同时降低对电路的冲击。

Description

一种直流固态继电器

技术领域

本实用新型涉及直流固态继电器领域，尤其涉及一种直流固态继电器。

背景技术

普通的直流固态继电器通常是由一个直流光耦+一个三极管以及若干个电阻或者由一个光耦+一个或多个场效应晶体管以及若干个电阻组成。以场效应晶体管为例，其电路原理图如图1所示，其导通过程是：当直流固态继电器输入端3+和4-加控制电压时，光耦P1输入端的发光二极管有电流通过，发光二极管发光，光照射在光耦P1输出端的二极管阵列上，二极管阵列会产生约7V的电压，该电压通过二极管D1和电阻R2加在场效应晶体管M1的栅极上，使得M1导通，也就是直流固态继电器输出导通。关断过程：当去掉直流固态继电器输入端3+和4-加的控制电压时，光耦P1输入端的发生二极管无电流，发光二极管不发光，光耦输出端的电压为零，栅极的电荷通过三极管T1释放，使得场效应晶体管M1的栅极电压迅速降低到导通阈值以下，场效应晶体管M1关闭，即直流固态继电器关闭。这个直流固态继电器的导通时间通常比较快，适合于一般控制场合。可以通过降低输入的电流，降低导通速度，但同时会降低响应时间。在一些特殊的场合，需要快速响应同时具有缓慢导通的能力，在响应速度不变同时降低对电路的冲击，则现有直流固态继电器不适用。

实用新型内容

有鉴于现有技术的缺陷或不足，本实用新型的目的是提供一种具备快速响应同时具有缓慢导通的能力的直流固态继电器。

为实现上述目的，本实用新型目提供了一种直流固态继电器，包括第一光耦、第二光耦、功率开关器件、积分电路和限压电路，

所述第一光耦和第二光耦的输入串联形成所述直流固态继电器的输入回路；

所述第一光耦的输出和所述积分电路连接，第一光耦的输出信号通过所述积分电路输出第一电压信号；

所述第二光耦的输出和所述限压电路连接，第二光耦的输出信号通过所述限压电路输出第二电压信号；

所述积分电路和所述限压电路的输出串联，所述第一电压信号和所述第二电压信号叠加输出第三电压信号，所述第三电压信号用于控制功率开关器件的通断；所述功率开关器件用于所述直流固态继电器的输出控制；

所述限压电路的限压阈值高于所述功率开关器件的导通阈值0.05V-0.5V。

技术效果：该直流固态继电器内设有两个光耦，通过两个光耦的输入端串联，形成同步触发；并分别通过其中一光耦的输出端提供电压偏置，通过另一光耦的输出端提供电流控制，从而具备快速响应同时具有缓慢导通的能力，可在响应速度不变同时降低对电路的冲击。

优选的，所述积分电路包括一二极管和一电容；所述第一光耦的输出正极和二极管的正极连接，所述二极管的负极和所述电容的第一电极连接，所述电容的第二电极和所述第一光耦的输出负极连接；所述电容的第一电极通过电阻和所述功率开关器件的控制极连接。

优选的，所述限压电路包括一稳压二极管，所述稳压二极管的负极和所述第二光耦的输出正极、所述积分电路的公共端连接，所述稳压二极管的正极和所述第二光耦的输出负极连接。

优选的，所述限压电路包括同向串联的多个二极管，所述同向串联的多个二极管的正极和所述第二光耦的输出正极、所述积分电路的公共端连接，所述同向串联的多个二极管的负极和所述第二光耦的输出负极连接。

优选的，所述限压电路包括稳压集成电路，所述稳压集成电路的包括稳压端和公共端，所述稳压端通过电阻和所述第二光耦的输出正极连接，所述稳压集成电路的公共端和所述第二光耦的输出负极连接，所述稳压集成电路的稳压端直接和所述积分电路的公共端连接。

优选的，所述功率开关器件为场效应晶体管，其栅极连接到所述积分电路的输出端，其漏极连接到所述直流固态继电器的输出正极，其源极连接到所述直流固态继电器的输出负极。

优选的，所述直流固态继电器还包括一第二开关器件，所述第二开关器件的控制极和所述第一光耦的输出正极连接，用于在所述第一光耦关断时，导通所述积分电路的输出端和所述限压电路的公共端的直接连接。

优选的，所述开关器件为PNP三极管，所述PNP三极管的基极和所述第一光耦的输出正极连接，所述PNP三级管的发射极和所述积分电路的输出端连接，所述PNP三极管的集电极和限压电路的负极连接。

本实用新型实施例提供的直流固态继电器，内设两个光耦，通过两个光耦的输入端串联，形成同步触发；并分别通过其中一光耦的输出端提供电压偏置，通过另一光耦的输出端提供电流控制，从而具备快速响应同时具有缓慢导通的能力，可在响应速度不变同时降低对电路的冲击。

附图说明

图1是现有技术的直流固态继电器的典型电路图；

图2是本实用新型实施例的直流固态继电器的电路原理图；

图3是本实用新型实施例的直流固态继电器的输出波形。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本实用新型提供有附图。这些附图为本实用新型揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本实用新型的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

实施例1：

如图2所示，本实用新型公开了一种直流固态继电器的具体实施例，为直流-直流型固态继电器，包括第一光耦P1、第二光耦P2、场效应晶体管M1、二极管D1、PNP三极管T1、电容C1、电阻R1、R2，该直流固态继电器包括四个端子，分别为用于输入控制信号的输入端3+和4-，及用于驱动大电流负载的输出端1+和2-。其中“+”、“-”用以标明端子的极性，即3+表示输入端的正极，4-表示输入端的负极，1+表示输出端的正极，2-表示输出端的负极。

在直流固态继电器的输入侧，及输入端3+和4-之间，第一光耦P1和第二光耦P2串联连接，输入端3+通过电阻R1、第一光耦P1的输入端的内部通路、第二光耦P2的输入端的内部通路连接到输出端4-。即在直流固态继电器的输入侧输入控制信号时，将同时触发第一光耦P1和第二光耦P2。

在本实施例中，M1采用MOSFET晶体管(场效应晶体管)作为本直流固态继电器的输出侧的功率开关，用于控制输出端1+和2-之间的导通。场效应晶体管为电压控制型功率开关，功耗低、过流大，为直流固态继电器的优选的输出用功率开关。当然在一些应用场合，该功率开关也可以是大功率三极管、达林顿管等电流控制型功率开关，或绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等电压控制型功率开关。

在本实施例中，第一光耦P1的输出端的正极连接到D1的正极，D1的正极和C1的第一电极连接，C1的第二电极连接到第一光耦P1的输出端的负极。C1的第一电极通过电阻R2连接到场效应晶体管M1的控制极(栅极)。

D1和C1构成积分电路，作为输出的C1的电压信号与D1正极输入的输入信号的时间积分值成比例，当第一光耦P1被触发时，其输出端产生电流并经D1给C1充电，C1上的电压会随着时间逐渐提高。通过调节电容C1的容值大小，可以调节电容C1电压上升率，即调节场效应晶体管M1的栅极电压的变化率。

在本实施例中，由于C1的存在，在电路中还设置了一个快速放电回路，该快速放电回路通过一个开关器件，在第一光耦P1关断时，导通所述积分电路的输出端(即C1的第一电极)和所述限压电路的公共端(即第二光耦P2的输出负极)的直接连接，形成快速放电回路。

优选的，该开关器件为一PNP三极管T1，PNP三极管T1的基极和第一光耦P1的输出端的正极连接，其发射极和电容C1的第一电极连接，其集电极则连接到第二光耦P2的输出端的负极，构成C1的快速放电回路。

第二光耦P2的输出端的正极和第一光耦P1的输出端的负极连接，同时通过D2、D3、...、Dn构成的同向串联二极管连接到第二光耦P2的输出端的负极，同向串联二极管D2、D3、...、Dn形成限压电路，将第二光耦P2输出电压限制在同向串联二极管D2、D3、...、Dn的导通电压之和，该导通电压(即限压阈值)略高于(如高0.05V-0.5V)场效应晶体管M1的栅极和源极之间的导通阈值电压，使得场效应晶体管M1导通，但通过的电流受限。通过设置限压电路的输出电压和场效应晶体管M1导通阈值电压的差值，可以控制场效应晶体管M1导通时，允许的最大电流的大小。

该限压电路也可以采用稳压管等限压器件，如使得稳压管的反向击穿电压略高于场效应晶体管M1的导通阈值电压。

该限压电路也可以采用TL431等稳压集成电路，TL431为三脚器件，包括稳压端、基准端和公共端，将TL431的稳压端通过电阻和第二光耦的输出端连接，TL431通过本领域的常规技术手段，在稳压端-基准端、基准端-公共端之间设置电阻，通过电阻的分压比调节稳压端的限压阈值，同时稳压端为限压电路输出端。

结合图2本实施例的直流固态继电器的工作原理说明如下：

场效应晶体管M1有一个导通阈值电压，大约是2～4V，当场效应晶体管的栅极电压低于阈值电压时，场效应晶体管处于关断状态；当栅极电压略高于阈值电压时(如高0.05V-0.5V)，场效应晶体管开始进入线性区，场效应晶体管开始导通，此时，场效应晶体管的导通电阻大小与栅极电压成正相关关系；当栅极电压继续增加时，场效应晶体管将进入饱和导通状态，此时场效应晶体管完全导通，其导通电阻大小几乎与栅极电压无关。

导通过程：当直流固态继电器的输入端加控制电压，第一光耦P1和第二P2输入端的发光二极管有电流，开始发光，其输出端的二极管阵列产生电压。光耦P2输出端的输出电压达到二极管D2～Dn的导通电压之和时被限压输出。由于二极管D2～Dn的导通电压之和略大于场效应晶体管的导通阈值电压，使得直流固态继电器输入端(3+、4-)有控制信号时，场效应晶体管M1能马上开始导通。第一光耦P1在导通后产生电压，通过二极管D1对电容C1进行充电，根据上述说明的场效应晶体管的特性，此时场效应晶体管M1会缓慢导通直到完全导通。如图3所示。

截止过程：当直流固态继电器的输出端的控制电压撤除，第一光耦P1和第二P2输入端的发光二极管没有了电流，其输出端的二极管阵列不再产生电压，此时PNP三极管T1的基极电压低于发射极电压触发导通条件，T1导通，C1存储的电能通过T1泄放到直流固态继电器的输出端的负极，C1两端的电压降低，场效应晶体管M1处于关断状态。

为电容C1中存储电量的泄放，还可以通过并联电阻等方式，但采用并联电阻的方式在导通过程中会对第一光耦输出的电流进行分流，会产生非工作损耗。

本实用新型直流固态继电器，通过在第二光耦的输出设置电压偏置，使第二光耦触发时能直接使功率开关导通从而实现快速响应，同时通过在第一光耦的输出上设置积分电路从而形成一个较缓慢的导通过程，降低导通过程对电路的冲击影响。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种直流固态继电器，其特征在于：包括第一光耦、第二光耦、功率开关器件、积分电路和限压电路，

所述第一光耦和第二光耦的输入串联形成所述直流固态继电器的输入回路；

所述第一光耦的输出和所述积分电路连接，第一光耦的输出信号通过所述积分电路输出第一电压信号；

所述第二光耦的输出和所述限压电路连接，第二光耦的输出信号通过所述限压电路输出第二电压信号；

所述积分电路和所述限压电路的输出串联，所述第一电压信号和所述第二电压信号叠加输出第三电压信号，所述第三电压信号用于控制功率开关器件的通断；所述功率开关器件用于所述直流固态继电器的输出控制；

所述限压电路的限压阈值高于所述功率开关器件的导通阈值0.05V-0.5V。

2.如权利要求1所述的直流固态继电器，其特征在于：所述积分电路包括一二极管和一电容；所述第一光耦的输出正极和二极管的正极连接，所述二极管的负极和所述电容的第一电极连接，所述电容的第二电极和所述第一光耦的输出负极连接；所述电容的第一电极通过电阻和所述功率开关器件的控制极连接。

3.如权利要求1所述的直流固态继电器，其特征在于：所述限压电路包括一稳压二极管，所述稳压二极管的负极和所述第二光耦的输出正极、所述积分电路的公共端连接，所述稳压二极管的正极和所述第二光耦的输出负极连接。

4.如权利要求1所述的直流固态继电器，其特征在于：所述限压电路包括同向串联的多个二极管，所述同向串联的多个二极管的正极和所述第二光耦的输出正极、所述积分电路的公共端连接，所述同向串联的多个二极管的负极和所述第二光耦的输出负极连接。

5.如权利要求1所述的直流固态继电器，其特征在于：所述限压电路包括稳压集成电路，所述稳压集成电路的稳压端通过电阻和所述第二光耦的输出正极连接，所述稳压集成电路的公共端和所述第二光耦的输出负极连接，所述稳压集成电路的稳压端直接和所述积分电路的公共端连接。

6.如权利要求1所述的直流固态继电器，其特征在于：所述功率开关器件为场效应晶体管，其栅极连接到所述积分电路的输出端，其漏极连接到所述直流固态继电器的输出正极，其源极连接到所述直流固态继电器的输出负极。

7.如权利要求1到6任一项所述的直流固态继电器，其特征在于：所述直流固态继电器电路还包括一第二开关器件，所述第二开关器件的控制极和所述第一光耦的输出正极连接，用于在所述第一光耦关断时，导通所述积分电路的输出端和所述限压电路的公共端的直接连接。

8.如权利要求7所述的直流固态继电器，其特征在于：所述开关器件为PNP三极管，所述PNP三极管的基极和所述第一光耦的输出正极连接，所述PNP三级管的发射极和所述积分电路的输出端连接，所述PNP三极管的集电极和限压电路的负极连接。

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