固態(tài)繼電器(Solid State Relay，SSR)是一種具有隔離功能的無觸點電子開關(guān)，在開關(guān)過程中無機械接觸部件，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?shù)霓D(zhuǎn)換功能，還具有驅(qū)動功率小、噪聲低、可靠性高、抗干擾能力強、開關(guān)速度快、體積小、壽命長、使用方便、與TTL、HTL、CMOS電路兼容等優(yōu)點。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，輸出部分相當于一個常開開關(guān)。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，對于隔離驅(qū)動、隔離切換電路的場合，已經(jīng)形成了光電隔離固態(tài)繼電器廣泛應用的局面。
文獻利用大功率場效應管構(gòu)成互補型MOS管對，從而形成具有3個輸出端的電子開關(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。文獻公開了一種多功能限流保護式固態(tài)繼電器，包括低壓控制部分和高壓開關(guān)部分，設(shè)置了高低壓組合指示和限流帶復位保護部分。文獻設(shè)計了一種20 A的1 500 V的大功率高速直流固態(tài)繼電器，具有良好的開關(guān)特性。目前廣泛應用的直流固態(tài)繼電器的導通電壓與截止電壓近似相等，當輸入在臨界值附近時，繼電器會出現(xiàn)抖動，無法正常動作。本文提出一種新的設(shè)計方法，將繼電器導通電壓與截止電壓分離。為了驗證所設(shè)計電路的有效性與正確性，對其進行了數(shù)值仿真，并對實際電路運行參數(shù)進行測試。
1 硬件電路設(shè)計
本文直流固態(tài)繼電器采用四端設(shè)計方式，電路原理如圖1所示。
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1．1 輸入電路
輸入回路主要由電阻R1，R2、R3，穩(wěn)壓管D1，D2，開關(guān)管T1，T2組成。其中NPN型開關(guān)管T1和PNP型開關(guān)管T2構(gòu)成正反饋回路，使光電耦合器導通電壓和截止電壓分離。
1．1．1 導通與截止過程
如圖1所示，輸入電壓范圍為0～24 V，初始值為0 V。此時光耦合器處于關(guān)斷狀態(tài)，電路不導通。電阻R2與電阻R1構(gòu)成開關(guān)管輸入分壓回路，③點電壓為穩(wěn)壓管D2上電壓，基本恒定不變。逐漸增大輸入電壓，當②點電壓超過③點電壓時(忽略開關(guān)管壓降)，三極管T1導通，繼而三極管T2導通。接著光耦中的發(fā)光二極管被觸發(fā)導通，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，光耦導通，從而將電路導通。繼電器返回時，逐漸降低輸入電壓，此時D2兩端電壓等于T2、D1以及光耦中二極管三個元件的電壓的總和。
隨著電壓的降低，③點電壓比②點電壓略高0．7 V時，此時電壓為臨界電壓。當電壓降到臨界值以下時，三極管T1就會截止，三極管T1截止后，光耦合器中發(fā)光二極管也隨之截止，從而使整個電路處于截止狀態(tài)。
1．1．2 動作值、返回值和返回系數(shù)的計算
由圖1列出電路導通和關(guān)斷時的數(shù)學表達式：
式中：Uin為導通(關(guān)斷)時電路輸入電壓(動作電壓與返回電壓)；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)計電路的相對動作值達到75%，相對返回值達到40%，因而R1和R2的阻值分別選取為1 kΩ和1．5 kΩ。經(jīng)計算如下：
從以上計算可見，繼電器導通時輸入電壓為17．7 V，動作值為73．8%，繼電器截止時輸入電壓為10．2 V，動作值為42．5%，繼電器導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確動作。
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體光電器件，它具有體積小、壽命長、抗干擾能力強、工作溫度寬及無觸點輸入與輸出、在電氣上完全隔離等特點。本設(shè)計選用型號為TLP127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，光耦合到達林頓光敏三極管與一個不可分割的基地發(fā)射電阻器組成，廣泛應用于可編程控制器、直流輸出模塊、電信等方面。
1．3 輸出電路
輸出電路由開關(guān)管T3，T4組成的兩級放大電路和續(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通則輸出回路導通，即繼電器導通，反之則截止。可見，該繼電器的輸出穩(wěn)定在一定值，不受負載的影響，端口相對獨立。
從以上的各部分電路原理分析可以看出，上述設(shè)計方案從理論上講，可以以小電流控制大電流，同時能夠分離繼電器的導通電壓和截止電壓，具備固態(tài)繼電器的開關(guān)功能。
2 電路仿真與參數(shù)測試
考慮到系統(tǒng)的可實現(xiàn)性，本文利用Multisim進行仿真。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)實元器件之間的差別，仿真實驗只對電路設(shè)計做定性分析，具體參數(shù)在實物電路板上進行測試。
2．1 電路仿真
按照設(shè)計方案在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。輸入電壓上升過程中，當電路導通時，輸出端電壓會迅速下降；在輸入電壓下降過程中，當電路截止時，輸出端電壓會迅速上升。輸入電壓上升過程和下降過程波形分別如圖2、圖3所示。
分析圖2、圖3可以得出當輸入電壓從0 V逐漸增加到24 V時，電路動作電壓值約為17．887 V，而當電壓從24 V逐漸減小到0 V時，電路電壓返回值約為10．212 V。仿真動作值與上述計算動作值相近，考慮到仿真誤差，二者的結(jié)果吻合。
2．2 電路參數(shù)測量
在實物電路板上進行參數(shù)測量，主要進行通斷電壓測量和導通時間測量。實物電路板如圖4所示。
2．2．1 輸入/輸出電壓特性
根據(jù)測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中可以看出動作結(jié)果與計算值一致，繼電器的導通電壓與截止電壓分離，且留有足夠的動作裕度，實現(xiàn)了繼電器的滯回功能。
2．2．2 導通時間測量
導通時間是指，從施加于常開型固體繼電器輸入端電壓，達到保證接通電壓開始，到輸出端電壓達到其電壓最終值90%為止的時間間隔。導通時間是衡量繼電器動作的準確性和可靠性的重要指標，所以試驗中通過測量繼電器的導通時間來檢驗繼電器動作是否準確。實驗中分別對輸入電壓18 V、20 V和24 V三個電壓的導通時間進行測量，測量數(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，導通時間隨之升高?？傮w上輸入電壓超過動作電壓后，繼電器能夠在極短的時間內(nèi)導通，動作準確，實現(xiàn)了理想的開關(guān)功能。
電路的仿真分析與參數(shù)測量結(jié)果表明，本文提出的新型直流固態(tài)繼電器的設(shè)計方案能夠?qū)崿F(xiàn)繼電器的基本功能，同時滯回特性設(shè)計使繼電器在臨界電壓可以準確動作，是一種比較理想的方案。
3 結(jié)語
本文提出的直流固態(tài)繼電器設(shè)計方案較為新穎，通過在控制電路設(shè)置正反饋回路來實現(xiàn)繼電器導通電壓和截止電壓的分離。仿真結(jié)果和參數(shù)測量結(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，準確動作，同時繼電器輸出不受負載的影響，輸入、輸出端口相對獨立，這是本文所述設(shè)計方案的最大優(yōu)點?？傮w上，該電路結(jié)構(gòu)簡單，功能完備，在實際工程中運行良好，市場前景比較廣闊。