直流固态继电器.doc

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1、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20A的1500V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

2、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0～24V，初始值为0V。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

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0.7V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

4、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1kΩ和1.5kΩ。经计算如下：　　 　　从以上计算可见，继电器导通时输入电压为17.7V，动作值为73.8%，继电器截止时输入电压为10.2V，动作值为42.5

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(OpticalCoupler，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。　　

6、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I

7、nteractiveImageTechnologies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0～24V。仿真电路中用24V直流电源与电阻R

8、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0V逐渐增加到24V时，电路动作电压值约为17.887V，而当电压从24V逐渐减小到0V时，电路电压返回值约为10.212V。仿真动作值与上述计算动作值相近，考虑到仿真误差，