具有滞回特性的直流固态继电器设计

摘要：提出一种新型的直流固态继电器设计方案。为了使继电器具有滞回特性，采用在控制电路中引入正反馈回路的方法来实现继电器的导通电压和截止电压分离，防止临界抖动的现象发生。同时继电器输出不受负载的影响，输入、输出端口相对独立，提高了继电器的工作稳定性。以电路仿真软件Multisim为平台对所设计电路进行了原理仿真，并测试了实际继电器的运行参数。结果表明，该设计方案的继电器能够准确动作，具有良好、可调的滞回特性。
关键词：直流固态继电器；滞回特性；正反馈；Multisim

0 引言
固态继电器(Solid State Relay，SSR)是一种具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，输入控制电路和输出回路间具有电的隔离，并且输出回路的通断受输入信号的控制。与传统的电磁继电器(EMR)相比，固态继电器不但具有和电磁继电器相当的转换功能，还具有驱动功率小、噪声低、可靠性高、抗干扰能力强、开关速度快、体积小、寿命长、使用方便、与TTL、HTL、CMOS电路兼容等优点。固态继电器分为交流固态继电器和直流固态继电器2种。直流固态继电器主要由输入回路、光电耦合器和输出回路组成，其中光电耦合器起到光电隔离的作用，输出部分相当于一个常开开关。随着现代电子技术的发展，对于隔离驱动、隔离切换电路的场合，已经形成了光电隔离固态继电器广泛应用的局面。
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20 A的1 500 V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0～24 V，初始值为0 V。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0．7 V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1 kΩ和1．5 kΩ。经计算如下：

从以上计算可见，继电器导通时输入电压为17．7 V，动作值为73．8％，继电器截止时输入电压为10．2 V，动作值为42．5％，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。