直流固态继电器

文献利用大功率场效应管构成互补型 MOS 管对，从而形成具有 3 个输出端的电子开关电路， 模拟单刀双掷功能，构成大功率单刀双掷固态继电器文献公开了一种多功能限流保护式 固态继电器，包括低压控制部分和高压开关部分，设置了高低压组合指示和限流带复位保 护部分文献设计了一种 20 A 的 1 500 V 的大功率高速直流固态继电器，具有良好的开关 特性目前广泛应用的直流固态继电器的导通电压与截止电压近似相等，当输入在临界值 附近时，继电器会出现抖动，无法正常动作本文提出一种新的设计方法，将继电器导通 电压与截止电压分离为了验证所设计电路的有效性与正确性，对其进行了数值仿真，并 对实际电路运行参数进行测试1 硬件电路设计本文直流固态继电器采用四端设计方式，电路原理如图 1 所示1.1 输入电路输入回路主要由电阻 R1，R2、R3，稳压管 D1，D2，开关管 T1，T2 组成其中 NPN 型 开关管 T1 和 PNP 型开关管 T2 构成正反馈回路，使光电耦合器导通电压和截止电压分离1.1.1 导通与截止过程如图 1 所示，输入电压范围为 0～24 V，初始值为 0 V此时光耦合器处于关断状态， 电路不导通。

电阻 R2 与电阻 R1 构成开关管输入分压回路，③点电压为稳压管 D2 上电压， 基本恒定不变逐渐增大输入电压，当②点电压超过③点电压时(忽略开关管压降)，三极 管 T1 导通，继而三极管 T2 导通接着光耦中的发光二极管被触发导通，光耦合器将发光 二极管发出的光由光敏三极管转换成光电流，光耦导通，从而将电路导通继电器返回时，逐渐降低输入电压，此时 D2 两端电压等于 T2、D1 以及光耦中二极管三个元件的电压的总 和随着电压的降低，③点电压比②点电压略高 0.7 V 时，此时电压为临界电压当电压 降到临界值以下时，三极管 T1 就会截止，三极管 T1 截止后，光耦合器中发光二极管也随 之截止，从而使整个电路处于截止状态1.1.2 动作值、返回值和返回系数的计算由图 1 列出电路导通和关断时的数学表达式：式中：Uin 为导通(关断)时电路输入电压(动作电压与返回电压);U1 为二极管 D2 两端 电压;U3 为二极管 D1 和三极管 T2 两端电压;假定设计电路的相对动作值达到 75%，相对返 回值达到 40%，因而 R1 和 R2 的阻值分别选取为 1 kΩ 和 1.5 kΩ经计算如下：从以上计算可见，继电器导通时输入电压为 17.7 V，动作值为 73.8%，继电器截止时 输入电压为 10.2 V，动作值为 42.5%，继电器导通电压和截止电压之间留有充分的裕度， 保证了继电器在临界值能够准确动作。

1.2 隔离电路 本文采用光电耦合器(Optical Coupler，OC)作为继电器的隔离电路，光电耦合器是一 种半导体光电器件，它具有体积小、寿命长、抗干扰能力强、工作温度宽及无触点输入与 输出、在电气上完全隔离等特点本设计选用型号为 TLP127 的光耦合器，该芯片适用于表 面贴装 TLP127 由砷化镓红外发光二极管，光耦合到达林顿光敏三极管与一个不可分割 的基地发射电阻器组成，广泛应用于可编程控制器、直流输出模块、电信等方面1.3 输出电路输出电路由开关管 T3，T4 组成的两级放大电路和续流二极管 D3 组成，输出电路的通 断完全由输入电路控制，输入电压使光电耦合器导通则输出回路导通，即继电器导通，反 之则截止可见，该继电器的输出稳定在一定值，不受负载的影响，端口相对独立从以上的各部分电路原理分析可以看出，上述设计方案从理论上讲，可以以小电流控 制大电流，同时能够分离继电器的导通电压和截止电压，具备固态继电器的开关功能2 电路仿真与参数测试考虑到系统的可实现性，本文利用 Multisim 进行仿真Multisim 是加拿大 Interactive Image Technologies 公司推出的 Windows 环境下的电路仿真软件，不仅具有 电路瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、噪声分析和直流分析等基本功能，而且还提 供了离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析和电路容差分析等电路分析方 法。

由于仿真软件与现实元器件之间的差别，仿真实验只对电路设计做定性分析，具体参 数在实物电路板上进行测试2.1 电路仿真按照设计方案在 Multisim 中搭建电路原理图，输入为线性电压源，电压范围是 0～24 V仿真电路中用 24 V 直流电源与电阻 R 模拟受控回路连接在继电器输出端输入电压上 升过程中，当电路导通时，输出端电压会迅速下降;在输入电压下降过程中，当电路截止时， 输出端电压会迅速上升输入电压上升过程和下降过程波形分别如图 2、图 3 所示分析图 2、图 3 可以得出当输入电压从 0 V 逐渐增加到 24 V 时，电路动作电压值约为 17.887 V，而当电压从 24 V 逐渐减小到 0 V 时，电路电压返回值约为 10.212 V仿真动 作值与上述计算动作值相近，考虑到仿真误差，二者的结果吻合2.2 电路参数测量在实物电路板上进行参数测量，主要进行通断电压测量和导通时间测量实物电路板 如图 4 所示2.2.1 输入/输出电压特性根据测量继电器输入电压与输出电压参数的结果，绘制出其输入/输出电压特性如图 5 所示，从图 5 中可以看出动作结果与计算值一致，继电器的导通电压与截止电压分离，且 留有足够的动作裕度，实现了继电器的滞回功能。

2.2.2 导通时间测量 导通时间是指，从施加于常开型固体继电器输入端电压，达到保证接通电压开始，到 输出端电压达到其电压最终值 90%为止的时间间隔导通时间是衡量继电器动作的准确性 和可靠性的重要指标，所以试验中通过测量继电器的导通时间来检验继电器动作是否准确 实验中分别对输入电压 18 V、20 V 和 24 V 三个电压的导通时间进行测量，测量数据如表 1 所示，示波器波形图分别如图 6～图 8 所示从表 1 和以上波形图可以看出，随着输入电压的降低，导通时间随之升高总体上输 入电压超过动作电压后，继电器能够在极短的时间内导通，动作准确，实现了理想的开关 功能电路的仿真分析与参数测量结果表明，本文提出的新型直流固态继电器的设计方案能 够实现继电器的基本功能，同时滞回特性设计使继电器在临界电压可以准确动作，是一种 比较理想的方案3 结语本文提出的直流固态继电器设计方案较为新颖，通过在控制电路设置正反馈回路来实 现继电器导通电压和截止电压的分离仿真结果和参数测量结果表明该方案完全可行，继 电器具有良好、可调的滞回特性，能够防止临界抖动，准确动作，同时继电器输出不受负 载的影响，输入、输出端口相对独立，这是本文所述设计方案的最大优点。