0 引言
固態(tài)繼電器(Solid State Relay，SSR)是一種具有隔離功能的無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中無(wú)機(jī)械接觸部件，輸入控制電路和輸出回路間具有電的隔離，并且輸出回路的通斷受輸入信號(hào)的控制。與傳統(tǒng)的電磁繼電器(EMR)相比，固態(tài)繼電器不但具有和電磁繼電器相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換功能，還具有驅(qū)動(dòng)功率小、噪聲低、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、開(kāi)關(guān)速度快、體積小、壽命長(zhǎng)、使用方便、與TTL、HTL、CMOS電路兼容等優(yōu)點(diǎn)。固態(tài)繼電器分為交流固態(tài)繼電器和直流固態(tài)繼電器2種。直流固態(tài)繼電器主要由輸入回路、光電耦合器和輸出回路組成，其中光電耦合器起到光電隔離的作用，輸出部分相當(dāng)于一個(gè)常開(kāi)開(kāi)關(guān)。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于隔離驅(qū)動(dòng)、隔離切換電路的場(chǎng)合，已經(jīng)形成了光電隔離固態(tài)繼電器廣泛應(yīng)用的局面。
文獻(xiàn)利用大功率場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成互補(bǔ)型MOS管對(duì)，從而形成具有3個(gè)輸出端的電子開(kāi)關(guān)電路，模擬單刀雙擲功能，構(gòu)成大功率單刀雙擲固態(tài)繼電器。文獻(xiàn)公開(kāi)了一種多功能限流保護(hù)式固態(tài)繼電器，包括低壓控制部分和高壓開(kāi)關(guān)部分，設(shè)置了高低壓組合指示和限流帶復(fù)位保護(hù)部分。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了一種20 A的1 500 V的大功率高速直流固態(tài)繼電器，具有良好的開(kāi)關(guān)特性。目前廣泛應(yīng)用的直流固態(tài)繼電器的導(dǎo)通電壓與截止電壓近似相等，當(dāng)輸入在臨界值附近時(shí)，繼電器會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，無(wú)法正常動(dòng)作。本文提出一種新的設(shè)計(jì)方法，將繼電器導(dǎo)通電壓與截止電壓分離。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路的有效性與正確性，對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值仿真，并對(duì)實(shí)際電路運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。
1 硬件電路設(shè)計(jì)
本文直流固態(tài)繼電器采用四端設(shè)計(jì)方式，電路原理如圖1所示。
1．1 輸入電路
輸入回路主要由電阻R1，R2、R3，穩(wěn)壓管D1，D2，開(kāi)關(guān)管T1，T2組成。其中NPN型開(kāi)關(guān)管T1和PNP型開(kāi)關(guān)管T2構(gòu)成正反饋回路，使光電耦合器導(dǎo)通電壓和截止電壓分離。
1．1．1 導(dǎo)通與截止過(guò)程
如圖1所示，輸入電壓范圍為0～24 V，初始值為0 V。此時(shí)光耦合器處于關(guān)斷狀態(tài)，電路不導(dǎo)通。電阻R2與電阻R1構(gòu)成開(kāi)關(guān)管輸入分壓回路，③點(diǎn)電壓為穩(wěn)壓管D2上電壓，基本恒定不變。逐漸增大輸入電壓，當(dāng)②點(diǎn)電壓超過(guò)③點(diǎn)電壓時(shí)(忽略開(kāi)關(guān)管壓降)，三極管T1導(dǎo)通，繼而三極管T2導(dǎo)通。接著光耦中的發(fā)光二極管被觸發(fā)導(dǎo)通，光耦合器將發(fā)光二極管發(fā)出的光由光敏三極管轉(zhuǎn)換成光電流，光耦導(dǎo)通，從而將電路導(dǎo)通。繼電器返回時(shí)，逐漸降低輸入電壓，此時(shí)D2兩端電壓等于T2、D1以及光耦中二極管三個(gè)元件的電壓的總和。
隨著電壓的降低，③點(diǎn)電壓比②點(diǎn)電壓略高0．7 V時(shí)，此時(shí)電壓為臨界電壓。當(dāng)電壓降到臨界值以下時(shí)，三極管T1就會(huì)截止，三極管T1截止后，光耦合器中發(fā)光二極管也隨之截止，從而使整個(gè)電路處于截止?fàn)顟B(tài)。
1．1．2 動(dòng)作值、返回值和返回系數(shù)的計(jì)算
由圖1列出電路導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的數(shù)學(xué)表達(dá)式：
式中：Uin為導(dǎo)通(關(guān)斷)時(shí)電路輸入電壓(動(dòng)作電壓與返回電壓)；U1為二極管D2兩端電壓；U3為二極管D1和三極管T2兩端電壓；假定設(shè)計(jì)電路的相對(duì)動(dòng)作值達(dá)到75％，相對(duì)返回值達(dá)到40％，因而R1和R2的阻值分別選取為1 kΩ和1．5 kΩ。經(jīng)計(jì)算如下：
從以上計(jì)算可見(jiàn)，繼電器導(dǎo)通時(shí)輸入電壓為17．7 V，動(dòng)作值為73．8％，繼電器截止時(shí)輸入電壓為10．2 V，動(dòng)作值為42．5％，繼電器導(dǎo)通電壓和截止電壓之間留有充分的裕度，保證了繼電器在臨界值能夠準(zhǔn)確動(dòng)作。
1．2 隔離電路
本文采用光電耦合器(Optical Coupler，OC)作為繼電器的隔離電路，光電耦合器是一種半導(dǎo)體光電器件，它具有體積小、壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)、工作溫度寬及無(wú)觸點(diǎn)輸入與輸出、在電氣上完全隔離等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選用型號(hào)為T(mén)LP127的光耦合器，該芯片適用于表面貼裝。 TLP127由砷化鎵紅外發(fā)光二極管，光耦合到達(dá)林頓光敏三極管與一個(gè)不可分割的基地發(fā)射電阻器組成，廣泛應(yīng)用于可編程控制器、直流輸出模塊、電信等方面。
1．3 輸出電路
輸出電路由開(kāi)關(guān)管T3，T4組成的兩級(jí)放大電路和續(xù)流二極管D3組成，輸出電路的通斷完全由輸入電路控制，輸入電壓使光電耦合器導(dǎo)通則輸出回路導(dǎo)通，即繼電器導(dǎo)通，反之則截止?？梢?jiàn)，該繼電器的輸出穩(wěn)定在一定值，不受負(fù)載的影響，端口相對(duì)獨(dú)立。
從以上的各部分電路原理分析可以看出，上述設(shè)計(jì)方案從理論上講，可以以小電流控制大電流，同時(shí)能夠分離繼電器的導(dǎo)通電壓和截止電壓，具備固態(tài)繼電器的開(kāi)關(guān)功能。
2 電路仿真與參數(shù)測(cè)試
考慮到系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性，本文利用Multisim進(jìn)行仿真。Multisim是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的Windows環(huán)境下的電路仿真軟件，不僅具有電路瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域和頻域分析、噪聲分析和直流分析等基本功能，而且還提供了離散傅里葉分析、電路零極點(diǎn)分析、交直流靈敏度分析和電路容差分析等電路分析方法。由于仿真軟件與現(xiàn)實(shí)元器件之間的差別，仿真實(shí)驗(yàn)只對(duì)電路設(shè)計(jì)做定性分析，具體參數(shù)在實(shí)物電路板上進(jìn)行測(cè)試。
2．1 電路仿真
按照設(shè)計(jì)方案在Multisim中搭建電路原理圖，輸入為線性電壓源，電壓范圍是0～24 V。仿真電路中用24 V直流電源與電阻R模擬受控回路連接在繼電器輸出端。輸入電壓上升過(guò)程中，當(dāng)電路導(dǎo)通時(shí)，輸出端電壓會(huì)迅速下降；在輸入電壓下降過(guò)程中，當(dāng)電路截止時(shí)，輸出端電壓會(huì)迅速上升。輸入電壓上升過(guò)程和下降過(guò)程波形分別如圖2、圖3所示。
分析圖2、圖3可以得出當(dāng)輸入電壓從0 V逐漸增加到24 V時(shí)，電路動(dòng)作電壓值約為17．887 V，而當(dāng)電壓從24 V逐漸減小到0 V時(shí)，電路電壓返回值約為10．212 V。仿真動(dòng)作值與上述計(jì)算動(dòng)作值相近，考慮到仿真誤差，二者的結(jié)果吻合。
2．2 電路參數(shù)測(cè)量
在實(shí)物電路板上進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，主要進(jìn)行通斷電壓測(cè)量和導(dǎo)通時(shí)間測(cè)量。實(shí)物電路板如圖4所示。
2．2．1 輸入／輸出電壓特性
根據(jù)測(cè)量繼電器輸入電壓與輸出電壓參數(shù)的結(jié)果，繪制出其輸入／輸出電壓特性如圖5所示，從圖5中可以看出動(dòng)作結(jié)果與計(jì)算值一致，繼電器的導(dǎo)通電壓與截止電壓分離，且留有足夠的動(dòng)作裕度，實(shí)現(xiàn)了繼電器的滯回功能。
2．2．2 導(dǎo)通時(shí)間測(cè)量
導(dǎo)通時(shí)間是指，從施加于常開(kāi)型固體繼電器輸入端電壓，達(dá)到保證接通電壓開(kāi)始，到輸出端電壓達(dá)到其電壓最終值90％為止的時(shí)間間隔。導(dǎo)通時(shí)間是衡量繼電器動(dòng)作的準(zhǔn)確性和可靠性的重要指標(biāo)，所以試驗(yàn)中通過(guò)測(cè)量繼電器的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)檢驗(yàn)繼電器動(dòng)作是否準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)輸入電壓18 V、20 V和24 V三個(gè)電壓的導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，示波器波形圖分別如圖6～圖8所示。
從表1和以上波形圖可以看出，隨著輸入電壓的降低，導(dǎo)通時(shí)間隨之升高。總體上輸入電壓超過(guò)動(dòng)作電壓后，繼電器能夠在極短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，動(dòng)作準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了理想的開(kāi)關(guān)功能。
電路的仿真分析與參數(shù)測(cè)量結(jié)果表明，本文提出的新型直流固態(tài)繼電器的設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)繼電器的基本功能，同時(shí)滯回特性設(shè)計(jì)使繼電器在臨界電壓可以準(zhǔn)確動(dòng)作，是一種比較理想的方案。
3 結(jié)語(yǔ)
本文提出的直流固態(tài)繼電器設(shè)計(jì)方案較為新穎，通過(guò)在控制電路設(shè)置正反饋回路來(lái)實(shí)現(xiàn)繼電器導(dǎo)通電壓和截止電壓的分離。仿真結(jié)果和參數(shù)測(cè)量結(jié)果表明該方案完全可行，繼電器具有良好、可調(diào)的滯回特性，能夠防止臨界抖動(dòng)，準(zhǔn)確動(dòng)作，同時(shí)繼電器輸出不受負(fù)載的影響，輸入、輸出端口相對(duì)獨(dú)立，這是本文所述設(shè)計(jì)方案的最大優(yōu)點(diǎn)?？傮w上，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能完備，在實(shí)際工程中運(yùn)行良好，市場(chǎng)前景比較廣闊。