TW202008419A - 適用交流和直流輸入訊號的繼電器 - Google Patents

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Abstract

一種繼電器，包含一第一接點，用來接收一輸入訊號；一第二接點，用來接收一電源訊號；一整流器，耦接於該第一接點以及該第二接點，用來當該電源訊號是一交流電源訊號時，將該交流電源訊號轉換為一直流電源訊號；一電壓箝制電路，耦接於該整流器，用來箝制該直流電源訊號及該輸入訊號的電壓；一施密特觸發器，耦接於該電壓箝制電路，用來根據該直流電源訊號及該輸入訊號，產生一觸發訊號；以及一電源輸出電路，耦接於該施密特觸發器，用來根據該觸發訊號及一供應電源，產生一輸出電壓。

Description

適用交流和直流輸入訊號的繼電器
本發明係指一種繼電器，尤指一種適用交流和直流輸入訊號的繼電器。
在工業控制領域中的接點可分為乾接點（dry contact）與濕接點（wet contact）。乾接點的定義為：無源開關；可處於閉合（close）或斷開（open）的兩種狀態；兩個輸入訊號之間沒有極性，可以互換。常見的無源開關可用來啟動防盜器、自動門、電梯以及各種設備的電源開關（例如汽機車、電腦、電燈…等等）；反之，當處於斷開狀態時，可關閉上述設備。
濕接點的定義為：有源開關；可處於有電壓和無電壓的兩種狀態；兩個輸入訊號之間有極性，不可反接。濕接點可解釋為有電壓差的訊號，故帶有極性而不能互換。在實際應用中，若將乾接點訊號接上電源的一極，並將電源的另一極作為訊號輸出，即可產生濕接點訊號。
習知技術常使用繼電器（Relay）來做為電源開關，而需分別設計用於乾、濕接點的繼電器，如此導致製造成本上升，也不利於安裝，因為濕接點有極性而不可反接。此外，電磁式繼電器會發生訊號反彈（Bounce）現象而造成電路誤動作，導致可靠度不佳。
因此，如何設計可適用交流和直流輸入訊號的繼電器，並提升可靠度，實乃本領域的重要課題。
因此，本發明的主要目的即在於提供一種適用交流和直流輸入訊號的繼電器，以改善習知技術的缺點。
本發明揭露一種繼電器，包含一第一接點、一第二接點、一整流器、一電壓箝制電路、一施密特觸發器以及一電源輸出電路。該第一接點用來接收一輸入訊號，該第二接點用來接收一電源訊號。該整流器耦接於該第一接點以及該第二接點，用來當該電源訊號是一交流電源訊號時，將該交流電源訊號轉換為一直流電源訊號。該電壓箝制電路耦接於該整流器，用來箝制該直流電源訊號及該輸入訊號的電壓。該施密特觸發器耦接於該電壓箝制電路，用來根據該直流電源訊號及該輸入訊號，產生一觸發訊號。該電源輸出電路耦接於該施密特觸發器，用來根據該觸發訊號及一供應電源，產生一輸出電壓。
本發明的繼電器可先使用整流器將輸入訊號進行橋式整流，以適用含有直流或交流電源的輸入訊號；接著，使用電壓箝制電路將整流過的輸入訊號進行電壓箝制，以提供穩定的操作電壓；再使用施密特觸發器根據輸入訊號，產生觸發訊號而控制電源輸出電路的操作；最後，觸發訊號可使光電耦合器導通而產生輸出電壓給後端設備。因此，本發明的繼電器可適用於乾、濕接點應用，以降低製造成本並可提升安裝便利性。
第1圖為本發明實施例一繼電器1的電路圖。繼電器1包含接點T1、T2、一整流器10、一電壓箝制電路12、一施密特觸發器SD1、一電源輸出電路、電容C1、C2、C3、以及電阻R1、R2。
接點T1用來接收一輸入訊號IN，接點T2用來接收一電源訊號PW。輸入訊號IN可以是數位訊號或類比訊號，而電源訊號PW可以是一交流電源訊號或一直流電源訊號。於一實施例中，接點T1可用來接收電源訊號PW，且接點T2用來接收輸入訊號IN。換言之，接點T1及接點T22的輸入訊號可互換。
整流器10耦接於接點T1、T2，用來當電源訊號PW是交流電源訊號時，將交流電源訊號PW轉換為一直流電源訊號PW_DC。電壓箝制電路12耦接於整流器10，用來將直流電源訊號PW_DC及輸入訊號IN箝制在一工作電壓。施密特觸發器SD1耦接於電壓箝制電路12，用來根據直流電源訊號PW_DC及輸入訊號IN，產生一觸發訊號TRI。電源輸出電路耦接於施密特觸發器SD1，用來根據觸發訊號TRI及一供應電源VCC，產生一輸出電壓VOUT。
整流器10可以是一橋式整流器，其包含二極體D1、D2、D3、D4。二極體D1的陽極耦接於接點T1，其陰極耦接於一節點n1；二極體D2的陽極耦接於接點T2，其陰極耦接於節點n1；二極體D3的陰極耦接於接點T1，其陽極耦接於一節點n2；以及二極體D4的陰極耦接於接點T2，其陽極耦接於節點n2。
電容C1耦接於節點n1和n2之間，用來減少電源訊號PW和輸入訊號IN的訊號漣波（Ripples），以達到穩壓的目的。
電壓箝制電路12耦接於電阻R1、R2以及節點n3、n4。電壓箝制電路12包含齊納二極體（Zener Diode）ZD1、ZD2。齊納二極體ZD1的陰極耦接於節點n3，其陽極耦接於齊納二極體ZD2的陽極；齊納二極體ZD2的陽極耦接於齊納二極體ZD1的陽極，其陰極耦接於節點n4。當齊納二極體ZD1或ZD2崩潰時，可提供穩定的工作電壓給電源輸出電路的一光電耦合器14，以提升元件使用壽命。
電阻R1的一端耦接於節點n1，另一端耦接於電壓箝制電路12（即，齊納二極體ZD1的陰極和節點n3）。電阻R2的一端耦接於節點n2，另一端耦接於電壓箝制電路12（即，齊納二極體ZD2的陰極和節點n4）。電阻R1及電阻R2為限流電阻，用來防止電源訊號PW和輸入訊號IN的電流過大，以免損壞光電耦合器14。
電容C2的一端耦接於節點n3和施密特觸發器SD1的輸入端，且另一端耦接於節點n4和一低電位VSS。電容C3的一端耦接於節點n5和施密特觸發器SD1的輸出端，且另一端耦接於節點n4和低電位VSS。電容C2和C3可將輸入訊號IN和電源訊號PW的高頻雜訊導引到低電位VSS，以達到濾除高頻雜訊的目的。
電源輸出電路包含一電阻R3以及光電耦合器（photocoupler）14。電阻R3的一端耦接於一供應電壓VCC，且另一端耦接於一節點n6，其中節點n6耦接於輸出電壓VOUT。電阻R3為限流電阻，用來防止後端設備因電流過大導致燒毀。
光電耦合器14包含發光二極體（Light-emitting diode，LED）L1、L2以及一雙極性電晶體（Bipolar Junction Transistor，BJT）B1。發光二極體L1的陰極耦接於施密特觸發器SD1的輸出端，其陽極耦接於一低電位VSS；發光二極體L2的陽極耦接於施密特觸發器SD1的輸出端，其陰極耦接於低電位VSS。光電耦合器14用於電氣隔離，以避免後端電源出現問題時，進而影響到前端電源，造成前端設備損壞。
雙極性電晶體B1的集極（collector）耦接於節點n6，其射極（emitter）耦接於一接地部，且其基極（base）用來接收發光二極體L1或L2發出的光電流以導通自身而產生集極電流。因此，當集極電流產生時，可將供應電壓VCC作為輸出電壓VOUT而供應給後端設備。
簡言之，本發明實施例之繼電器1的電路架構及對應操作可歸納為整流、電壓箝制、觸發控制及電源輸出等四階段。於第一階段，整流器10先將輸入訊號進行橋式整流，以適用含有直流或交流電源PW的輸入訊號IN；於第二階段，以穩壓電容C1避免訊號漣波，且電壓箝制電路12將整流過的輸入訊號IN進行電壓箝制，以提供穩定的操作電壓；於第三階段，以雜訊電容C2、C3分別濾除輸入訊號IN、觸發訊號TRI的高頻雜訊，且施密特觸發器SD1根據輸入訊號IN，產生觸發訊號TRI而控制電源輸出電路的操作；於第四階段，觸發訊號TRI可使光電耦合器14導通而產生輸出電壓VOUT給後端設備。
在工業控制領域中，傳統繼電器需分別設計對應的電路架構來適應乾、濕接點應用，如此導致製造成本上升，也不利於安裝，因為繼電器的濕接點有極性而不可反接。相較之下，本發明實施例的繼電器1可適用於乾、濕接點應用，以降低製造成本並可提升安裝便利性。
第2圖為本發明實施例施密特觸發器SD1的操作波形圖。於第2圖中，施密特觸發器SD1可根據臨界值TH_U、TH_L及輸入訊號IN，產生觸發訊號TRI。在操作上，當施密特觸發器SD1在臨界值TH_U偵測到電壓上升（voltage rising）時，其輸出的觸發訊號TRI為一高電壓；當施密特觸發器SD1在臨界值TH_L偵測到電壓下降（voltage falling）時，施密特觸發器SD1輸出的觸發訊號TRI為一低電壓；除此以外，施密特觸發器SD1輸出的觸發訊號TRI的電壓準位不變。
由於傳統電磁式繼電器會發生訊號反彈（Bounce）現象而造成電路誤動作，導致可靠度不佳。相較之下，本發明實施例的繼電器1使用施密特觸發器SD1來偵測電壓上升及電壓下降的事件，以避免發生訊號反彈導致的誤動作，進而提升可靠度。
綜上所述，本發明實施例的繼電器可先使用整流器將輸入訊號進行橋式整流，以適用含有直流或交流電源的輸入訊號；接著，使用電壓箝制電路將整流過的輸入訊號進行電壓箝制，以提供穩定的操作電壓；再使用施密特觸發器根據輸入訊號，產生觸發訊號而控制電源輸出電路的操作；最後，觸發訊號可使光電耦合器導通而產生輸出電壓給後端設備。因此，本發明實施例的繼電器可適用於乾、濕接點應用，以降低製造成本並可提升安裝便利性。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1‧‧‧繼電器10‧‧‧整流器12‧‧‧電壓箝制電路14‧‧‧光電耦合器T1、T2‧‧‧接點IN‧‧‧輸入訊號PW‧‧‧電源訊號D1、D2、D3、D4‧‧‧二極體C1、C2、C3‧‧‧電容R1、R2、R3‧‧‧電阻ZD1、ZD2‧‧‧齊納二極體SD1‧‧‧施密特觸發器TRI‧‧‧觸發訊號L1、L2‧‧‧發光二極體B1‧‧‧雙極性電晶體n1、n2、n3、n4、n5、n6‧‧‧節點VCC‧‧‧供應電源VSS‧‧‧低電位VOUT‧‧‧輸出電壓TH_U、TH_L‧‧‧臨界值
第1圖為本發明實施例一繼電器的電路圖。 第2圖為本發明實施例一施密特觸發器的操作波形圖。
1‧‧‧繼電器
10‧‧‧整流器
12‧‧‧電壓箝制電路
14‧‧‧光電耦合器
T1、T2‧‧‧接點
IN‧‧‧輸入訊號
PW‧‧‧電源訊號
D1、D2、D3、D4‧‧‧二極體
C1、C2、C3‧‧‧電容
R1、R2、R3‧‧‧電阻
ZD1、ZD2‧‧‧齊納二極體
SD1‧‧‧施密特觸發器
TRI‧‧‧觸發訊號
L1、L2‧‧‧發光二極體
B1‧‧‧雙極性電晶體
n1、n2、n3、n4、n5、n6‧‧‧節點
VCC‧‧‧供應電源
VSS‧‧‧低電位
VOUT‧‧‧輸出電壓

Claims (8)

  1. 一種繼電器，包含： 一第一接點，用來接收一輸入訊號； 一第二接點，用來接收一電源訊號； 一整流器，耦接於該第一接點以及該第二接點，用來當該電源訊號是一交流電源訊號時，將該交流電源訊號轉換為一直流電源訊號； 一電壓箝制電路，耦接於該整流器，用來箝制該直流電源訊號及該輸入訊號的電壓； 一施密特觸發器，耦接於該電壓箝制電路，用來根據該直流電源訊號及該輸入訊號，產生一觸發訊號；以及 一電源輸出電路，耦接於該施密特觸發器，用來根據該觸發訊號及一供應電源，產生一輸出電壓。
  2. 如請求項1所述的繼電器，其中該整流器包含： 一第一二極體，其陽極耦接於該第一接點，其陰極耦接於一第一節點； 一第二二極體，其陽極耦接於該第二接點，其陰極耦接於該第一節點； 一第三二極體，其陰極耦接於該第一接點，其陽極耦接於一第二節點；以及 一第四二極體，其陰極耦接於該第二接點，其陽極耦接於該第二節點。
  3. 如請求項2所述的繼電器，其另包含： 一第一電容，其一端耦接於該第一節點，另一端耦接於該第二節點。
  4. 如請求項2所述的繼電器，其另包含： 一第一電阻，其一端耦接於該第一節點，另一端耦接於該電壓箝制電路；以及 一第二電阻，其一端耦接於該第二節點，另一端耦接於該電壓箝制電路。
  5. 如請求項1所述的繼電器，其中該電壓箝制電路包含： 一第一齊納二極體，其陰極耦接於一第三節點；以及 一第二齊納二極體，其陽極耦接於該第一齊納二極體的陽極，其陰極耦接於一第四節點； 其中該第三節點耦接於該施密特觸發器的一輸入端，且該第四節點耦接於一低電位。
  6. 如請求項5所述的繼電器，其另包含： 一第二電容，其一端耦接於該第三節點，另一端耦接於該第四節點；以及 一第三電容，其一端耦接於一第五節點，另一端耦接於該第四節點； 其中該第五節點耦接於該施密特觸發器的一輸出端。
  7. 如請求項1所述的繼電器，其中該電源輸出電路包含： 一第三電阻，其一端耦接於一高電位，另一端耦接於一輸出電壓；以及 一光電耦合器，包含： 一第一發光二極體，其陰極耦接於該施密特觸發器的一輸出端，其陽極耦接於一低電位； 一第二發光二極體，其陽極耦接於該施密特觸發器的該輸出端，其陰極耦接於該低電位；以及 一雙極性電晶體，其基極用來接收該第一發光二極體或該第二發光二極體發出的光電流以導通自身而產生集極電流，其射極耦接於一接地部，其集極耦接於該輸出電壓。
  8. 如請求項1所述的繼電器，其中當該第一接點用來接收該電源訊號時，該第二接點用來接收該輸入訊號。
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