具有滞回特性的直流固态继电器设计

　　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。