具有滯回特性的直流固態(tài)繼電器設(shè)計(jì)

摘要：提出一種新型的直流固態(tài)繼電器設(shè)計(jì)方案。為了使繼電器具有滯回特性，采用在控制電路中引入正反饋回路的方法來實(shí)現(xiàn)繼電器的導(dǎo)通電壓和截止電壓分離，防止臨界抖動(dòng)的現(xiàn)象發(fā)生。同時(shí)繼電器輸出不受負(fù)載的影響，輸入、輸出端口相對獨(dú)立，提高了繼電器的工作穩(wěn)定性。以電路仿真軟件Multisim為平臺(tái)對所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了原理仿真，并測試了實(shí)際繼電器的運(yùn)行參數(shù)。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案的繼電器能夠準(zhǔn)確動(dòng)作，具有良好、可調(diào)的滯回特性。
關(guān)鍵詞：直流固態(tài)繼電器；滯回特性；正反饋；Multisim

0 引言
固態(tài)繼電器(Solid State Relay，SSR)是一種具有隔離功能的無觸點(diǎn)電子開關(guān)，在開關(guān)過程中無機(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(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)常開開關(guān)。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，對于隔離驅(qū)動(dòng)、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(yīng)用的局面。
文獻(xiàn)利用大功率場效應(yīng)管構(gòu)成互補(bǔ)型MOS管對，從而形成具有3個(gè)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(xiàn)公開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，對其進(jìn)行了數(shù)值仿真，并對實(shí)際電路運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測試。

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(dǎo)通電壓和截止電壓分離。
1．1．1 導(dǎo)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(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③點(diǎn)電壓時(shí)(忽略開關(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)電路的相對動(dòng)作值達(dá)到75％，相對返回值達(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，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。