CN213906652U - 一种双向可控开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双向可控开关，包括开关电路、控制器、用于检测开关电路电流的电流采样电路、用于检测开关电路电压的电压采样电路和用于检测环境温度的温度采样电路；控制器的输入端分别与电流采样电路的输出端、电压采样电路的输出端、温度采样电路的输出端连接，控制器的输出端与开关电路的输入端连接；本申请对开关电路的输入输出进行检测并实时上报运行状态与故障状态，通过控制两个相对的MOSFET输出，可用于代替传统继电器，实现电能的智能分配。

Description

一种双向可控开关

技术领域

本实用新型涉及电气开关控制技术领域，尤其涉及一种双向可控开关。

背景技术

针对目前开关控制器智能化程度不高的情况，传统继电器控制依靠机械触电动作，响应速度慢，工作频率低，同时由于触电寿命短，随着使用时间的增加，可靠性会降低。

实用新型内容

基于背景技术存在的技术问题，本实用新型提出了一种双向可控开关，通过设置两个共源极连接的MOSFET，可用于代替传统继电器，实现电能的智能分。

本实用新型提出的一种双向可控开关，包括开关电路、控制器、用于检测开关电路电流的电流采样电路、用于检测开关电路电压的电压采样电路和用于检测环境温度的温度采样电路；控制器的输入端分别与电流采样电路的输出端、电压采样电路的输出端、温度采样电路的输出端连接，控制器的输出端与开关电路的输入端连接。

进一步地，所述控制器包括单片机。

进一步地，所述开关电路包括MOSFET，两个MOSFET共源极连接，两个MOSFET的栅极分别连接到单片机的引脚上。

进一步地，MOSFET与单片机之间设置有隔离电路，所述隔离电路包括光耦合器E4和二极管V16，光耦合器E4发光源的1引脚与二极管V16的负极连接、2引脚连接到单片机的驱动引脚上，光耦合器E4受光源的3引脚接地、4引脚通过电阻R74连接到MOSFET的栅极上。

进一步地，所述电流采样电路包括运算放大器N3A、运算放大器N3B、二极管V5和电容C26，运算放大器N3A的负极输入端通过电阻R31接地、输出端连接到运算放大器N3B的正极输入端，运算放大器N3A的正极输入端一路通过电阻R38接地、一路通过电阻R36连接到了开关电路的电流输入端、一路外接5V，运算放大器N3B的输出端一路通过二极管V5接地、一路通过电容C26接地、一路连接到单片机的11引脚上。

进一步地，所述电压采样电路包括运算放大器N1A、二极管V2、二极管V1和电容C1，运算放大器N1A的正极输入端一路通过二极管V2连接到开关电路的电压输入端、另一路外接5V，N1A的正极输出端一路通过二极管V1外接3.3V、一路通过电容C1接地、一路连接到单片机的9引脚。

进一步地，所述温度采样电路包括二极管V15、分压电阻R60和电容C56，分压电阻R60的一端分别连接到二极管V15的正极、电容C56的一端、单片机的12引脚上，二极管V15的负极外接3.3V电压，电容C56的另一端接地。

本实用新型提供的一种双向可控开关的优点在于：本实用新型结构中提供的一种双向可控开关，对开关电路的输入输出进行检测并实时上报运行状态与故障状态，通过控制两个相对的MOSFET输出，可用于代替传统继电器，实现电能的智能分配；通过微处理器的PWM控制两个MOSFET的驱动打开的占空比与速度，两个MOSFET相对连接，开启前级MOSFET，电流就可以正向流动，后级MOSFET可以通过体二极管流过电流；同理开启后级MOSFET电流就可以反向流动；同时通过对开关电路自身的过电压、过电流、短路、过热故障等判断，从而实现对用电设备的保护。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为开关电路的结构示意图；

图3为单片机的引脚示意图；

图4为电流采样电路示意图；

图5为电压采样电路示意图；

图6为隔离电路示意图；

图7为温度采样电路示意图；

图8双向可控开关的工作流程图；

其中，1-开关电路，2-电流采样电路，3-电压采样电路，4-温度采样电路，5-控制器。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。

如图1至8所示，本实用新型提出的一种双向可控开关，包括开关电路1、控制器5、用于检测开关电路1电流的电流采样电路2、用于检测开关电路1电压的电压采样电路3和用于检测环境温度的温度采样电路4；控制器5的输入端分别与电流采样电路2的输出端、电压采样电路3的输出端、温度采样电路4的输出端相互连接，控制器5的输出端与开关电路1的输入端连接。

电流采样电路2的输入端与开关电路1的电流输入端连接，输出端与控制器5的A/D采样引脚连接，电压采样电路3的输入端与开关电路1的电压输入端连接，输出端与控制器5的A/D采样引脚连接，温度采样电路4的输入端与开关电路1的温度引脚连接，输出端与控制器5的A/D采样引脚连接。

电流采样电路2采集开关电路1的输入电流，通过霍尔传感器采集电流，将电流转换为电压信号，再经过运算放大器输出到控制器5的AD采样引脚；电压采样电路3采集开关电路1的输入电压，再经过运算放大器输出到控制器5的AD采样引脚；温度采样电路4采集开关电路1的温度，温度传感器可以根据温度的不同实现电阻大小的不同，电阻不同从而电压不同，电压输出到控制器5的AD采样引脚。

开关电路1通过电压采样电路3进行电压检测、电流采样电路2进行电流检测，以实现对开关电路1中电压和电流的实时获取，进而通过控制器(5)控制开关电路1的通断，可以在一些场合替代传统继电器等开关设备，取代传统的继电器进行电流控制。集成了过电压、过电流和过热等保护功能。节约成本、节约体积，同时具有控制器5可以实现开关的个性化控制。

所述开关电路1包括MOSFET，两个MOSFET共源极连接，两个MOSFET的栅极分别连接到单片机的引脚上。MOSFET可以采用型号为STH315N10F7-2，是汽车级N沟道MOSFET，两MOSFET共源极设置，利用STripFETTMF7技术和增强型沟槽栅极结构，可降低通态电阻，同时降低内部电容和栅极电荷，从而使开关速度更快，能效更高。

本申请中，所述控制器5的微处理器采用型号为恩智浦公司的MC56F82746单片机。单片机的接口图如附图3，具有6路PWM接口，本专利仅使用2路，该单片机最多可以同时控制3开关电路的前级和后级MOSFET。单片机实现输入输出电压、电流、温度的检测，PWM控制MOSFET的驱动，通过可以预设配置参数，配置参数包括工作模式、输入保护阈值、开启关断方式等，以实现通过单片机对开关电路1的通断控制。

进一步地，MOSFET与单片机之间设置有隔离电路，所述隔离电路包括光耦合器E4和二极管V16，光耦合器E4发光源的1引脚与二极管V16的负极连接、2引脚连接到单片机的驱动引脚上，光耦合器E4受光源的3引脚接地、4引脚通过电阻R74连接到MOSFET的栅极上。

光耦合器E4实现了光的发射、光的接收及信号放大。具体为：输入的电信号驱动发光二极管(LED)，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器E4输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力，从而提高了MOSFET与单片机两个元器件的独立运行关系，互相之间较少受到对方的非指令影响。

进一步地，所述电流采样电路2包括运算放大器N3A、运算放大器N3B、二极管V5和电容C26，运算放大器N3A的负极输入端通过电阻R31接地、输出端连接到运算放大器N3B的正极输入端，运算放大器N3A的正极输入端一路通过电阻R38接地、一路通过电阻R36连接到了开关电路1的电流输入端、一路外接5V，运算放大器N3B的输出端一路通过二极管V5接地、一路通过电容C26接地、一路连接到单片机的11引脚上。电流采样电路2对所采集到MOSFET的电流通过运算放大器N3A和N3B的放大，以对所检测到的电流进行放大，便于单片机对获取放大后电流的处理。

其中，运算放大器N3A依次经过电阻R36、霍尔传感器连接到MOSFET的漏极或源极，以实现电流采样电路2对MOSFET的电流采样；二极管V5起到钳位作用，以使得进入运算放大器N3B中的电压不超过3.3V，电容C26起到滤波降噪的作用。

进一步地，所述电压采样电路3包括运算放大器N1A、二极管V2、二极管V1和电容C1，运算放大器N1A的正极输入端一路通过二极管V2连接到开关电路1的电压输入端、另一路外接5V，N1A的正极输出端一路通过二极管V1外接3.3V、一路通过电容C1接地、一路连接到单片机的9引脚。电压采样电路3对所采集到MOSFET的电压通过运算放大器N1A放大，便于单片机对获取放大后电压的处理。

其中，运算放大器N1A通过二极管V2连接到MOSFET的漏极或源极，以实现电压采样电路3对MOSFET的电压采样；二极管V1起到钳位作用，以使得进入运算放大器N1A中的电压不超过3.3V，电容C1起到滤波降噪的作用。

进一步地，在对单片机和开关电路1的工作环境进行温度检测时，可以通过温度传感器、另设的温度采样电路进行检测，当采用温度传感器进行检测时，温度传感器的输出端连接到单片机的输入引脚上。

当采用温度采样电路时，可以按如下设置：所述温度采样电路4包括二极管V15、分压电阻R60和电容C56，分压电阻R60的一端分别连接到二极管V15的正极、电容C56的一端、单片机的12引脚上，二极管V15的负极外接3.3V电压，电容C56的另一端接地，分压电阻R60的另一端连接到温度处理芯片的输入端，该温度处理芯片可以采用现有芯片。

二极管V15起到钳位作用，以使得进入温度处理芯片中的电压不超过3.3V，电容C56起到滤波降噪的作用。

为了实现对整个双向可控开关的工作状态显示、工作参数的调整等，单片机外设一个上位机，单片机与上位机之间通过CAN总线进行通讯连接，开关电路1的关断方式有硬关断和软关断两种方式，启动方式也有硬接通与软接通两种，关断和启动都是上位机上预设的PWM占空比实现。硬关断时，开关电路1直接关断，软关断时，开关电路1根据设置的关断步进量进行软关断，关断步进量是上位机中设置的默认值，如果需要更改，可以通过上位机进行修改，硬接通时，开关直接接通，软接通时可以进行缓起接通，防止瞬时电流过大对用电设备造成损害，上位机中将设置的步进量存在单片机flash中，当开通或关断时，PWM输出占空比按照设定的步进量从0％展开到100％，实现软关断/软接通。MOSFET没有机械触电，开关电路1在开/关过程不会产生电弧放电，相比较传统继电器更加安全可靠。

工作过程：如图8所示，开关电路1正向工作时，前级MOSFET根据设定进行软接通或硬接通，当输入电流小于设定后级MOSFET的接通值时，后级MOSFET的驱动处于关闭状态，此时电流通过后级MOSFET的体二极管流出，当输入电流大于设定后级MOSFET接通值时，后级MOSFET驱动导通，当前级MOSFET的输入电流小于关断设定值时，前级MOSFET的驱动自动关断。正向工作可应用于如发电机输入接通、电池输入接通等场合。

(2)反向工作，后级MOSFET根据设定进行软接通或硬接通，当输入电流小于设定前级MOSFET的接通值时，前级MOSFET驱动处于关闭状态，此时电流通过前级MOSFET的体二极管流出，当输入电流大于设定前级MOSFET的接通值时，前级MOSFET驱动导通，当后级MOSFET的输入电流小于前级MOSFET的关断设定值时，后级MOSFET驱动自动关断。反向工作可应用于后级电源给电池充电等场合。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双向可控开关，其特征在于，包括开关电路(1)、控制器(5)、用于检测开关电路(1)电流的电流采样电路(2)、用于检测开关电路(1)电压的电压采样电路(3)和用于检测环境温度的温度采样电路(4)；

控制器(5)的输入端分别与电流采样电路(2)的输出端、电压采样电路(3)的输出端、温度采样电路(4)的输出端连接，控制器(5)的输出端与开关电路(1)的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的双向可控开关，其特征在于，所述控制器(5)包括单片机。

3.根据权利要求2所述的双向可控开关，其特征在于，所述开关电路(1)包括MOSFET，两个MOSFET共源极连接，两个MOSFET的栅极分别连接到单片机的引脚上。

4.根据权利要求3所述的双向可控开关，其特征在于，MOSFET与单片机之间设置有隔离电路，所述隔离电路包括光耦合器E4和二极管V16，光耦合器E4发光源的1引脚与二极管V16的负极连接、2引脚连接到单片机的驱动引脚上，光耦合器E4受光源的3引脚接地、4引脚通过电阻R74连接到MOSFET的栅极上。

5.根据权利要求3所述的双向可控开关，其特征在于，所述电流采样电路(2)包括运算放大器N3A、运算放大器N3B、二极管V5和电容C26，运算放大器N3A的负极输入端通过电阻R31接地、输出端连接到运算放大器N3B的正极输入端，运算放大器N3A的正极输入端一路通过电阻R38接地、一路通过电阻R36连接到了开关电路(1)的电流输入端、一路外接5V，运算放大器N3B的输出端一路通过二极管V5接地、一路通过电容C26接地、一路连接到单片机的11引脚上。

6.根据权利要求3所述的双向可控开关，其特征在于，所述电压采样电路(3)包括运算放大器N1A、二极管V2、二极管V1和电容C1，运算放大器N1A的正极输入端一路通过二极管V2连接到开关电路(1)的电压输入端、另一路外接5V，N1A的正极输出端一路通过二极管V1外接3.3V、一路通过电容C1接地、一路连接到单片机的9引脚。

7.根据权利要求3所述的双向可控开关，其特征在于，所述温度采样电路(4)包括二极管V15、分压电阻R60和电容C56，分压电阻R60的一端分别连接到二极管V15的正极、电容C56的一端、单片机的12引脚上，二极管V15的负极外接3.3V电压，电容C56的另一端接地。

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