具有滯回特性的直流固態繼電器設計

摘要：提出一種新型的直流固態繼電器設計方案。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現繼電器的導通電壓和截止電壓分離，防止臨界抖動的現象發生。同時繼電器輸出不受負載的影響，輸入、輸出端口相對獨立，提高了繼電器的工作穩定性。以電路仿真軟件Multisim為平臺對所設計電路進行了原理仿真，并測試了實際繼電器的運行參數。結果表明，該設計方案的繼電器能夠準確動作，具有良好、可調的滯回特性。
關鍵詞：直流固態繼電器；滯回特性；正反饋；Multisim

0 引言
固態繼電器(Solid State Relay，SSR)是一種具有隔離功能的無觸點電子開關，在開關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。與傳統的電磁繼電器(EMR)相比，固態繼電器不但具有和電磁繼電器相當的轉換功能，還具有驅動功率小、噪聲低、可靠性高、抗干擾能力強、開關速度快、體積小、壽命長、使用方便、與TTL、HTL、CMOS電路兼容等優點。固態繼電器分為交流固態繼電器和直流固態繼電器2種。直流固態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。隨著現代電子技術的發展，對于隔離驅動、隔離切換電路的場合，已經形成了光電隔離固態繼電器廣泛應用的局面。
文獻利用大功率場效應管構成互補型MOS管對，從而形成具有3個輸出端的電子開關電路，模擬單刀雙擲功能，構成大功率單刀雙擲固態繼電器。文獻公開了一種多功能限流保護式固態繼電器，包括低壓控制部分和高壓開關部分，設置了高低壓組合指示和限流帶復位保護部分。文獻設計了一種20 A的1 500 V的大功率高速直流固態繼電器，具有良好的開關特性。目前廣泛應用的直流固態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，繼電器會出現抖動，無法正常動作。本文提出一種新的設計方法，將繼電器導通電壓與截止電壓分離。為了驗證所設計電路的有效性與正確性，對其進行了數值仿真，并對實際電路運行參數進行測試。

1 硬件電路設計
本文直流固態繼電器采用四端設計方式，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，穩壓管D1，D2，開關管T1，T2組成。其中NPN型開關管T1和PNP型開關管T2構成正反饋回路，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斷狀態，電路不導通。電阻R2與電阻R1構成開關管輸入分壓回路，③點電壓為穩壓管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(忽略開關管壓降)，三極管T1導通，繼而三極管T2導通。接著光耦中的發光二極管被觸發導通，光耦合器將發光二極管發出的光由光敏三極管轉換成光電流，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，光耦合器中發光二極管也隨之截止，從而使整個電路處于截止狀態。
1．1．2 動作值、返回值和返回系數的計算
由圖1列出電路導通和關斷時的數學表達式：

式中：Uin為導通(關斷)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。