专利名称：交直流过流保护固态继电器的制作方法
技术领域：
交直流过流保护固态继电器
技术领域：
本实用新型涉及一种固态继电器，特别是涉及一种具有过流保护功能的固态继电器。背景技术：
固态继电器与传统的机械继电器相比，具有体积小、无触点、切换速度快、切换时无电 弧烧蚀的优点，因而广泛应用于工业及国民经济的其它领域。
公知的固态继电器存在的不足主要是无过流保护功能或过流保护电路复杂，无法既对 交流负载又对直流负载实现过流保护。
例如，中国专利申请号为200510021484.9，
公开日为2007年2月14日，专利名称是"直 流固态继电器"的申请案公开了一种固态继电器，其不足之处是，仅能对直流负载实现过流 保护。
又如，中国专利申请号为99115129.1，
公开日为2000年3月22日，专利名称是"新型 万用交直流无源固态继电器"的申请案公开了一种固态继电器，其不足之处是，无负载过流 保护功能。
又如，中国专利申请号为200520146647.1，授权公告日为2007年3月28日，专利名称 是"固态继电器"的申请案公开了一种固态继电器，其不足之处是，仅能对交流负载实现过 流保护且保护电路复杂。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种可对交、直流负载进行过流保护，负载电 流过流消失后能自动恢复正常工作，且电路结构简单的固态继电器。
为解决上述技术问题，本实用新型提供的一种与现有技术不同的解决方案是1)在固态 继电器的输出电路中设置整流单元、开关单元和电流取样单元，开关单元和电流取样单元接 在整流单元的直流输出回路中，负载以及为负载供电的电源以串联方式接在整流单元的交流 输入回路中。2)在逻辑控制电路中设置启动信号延时单元，周期性信号产生单元，组合逻辑 单元，过流保护单元，电流取样单元的输出端与逻辑控制电路的输入端相连，为其提供负载 电流值。逻辑控制电路的输出端与开关单元的控制端相连，用于切换开关单元的通断状态。
本实用新型的输出电路包括整流单元、开关单元和电流取样单元。
整流单元由全波整流器构成，优选的整流单元是由低正向导通压降的二极管构成的桥式 全波整流器。
开关单元由高速电子开关元件构成，可以是场效应管、双极型三极管或绝缘栅双极型晶 体管。
电流取样单元由电流传感器构成，可以是电阻器，电流互感器。由于构成开关单元的电 子开关元件可以等效为电阻器，故开关单元也可以兼做电流取样单元。输出电路的功能是1)将流入整流单元输入回路中的负载电流整流成整流单元输出回路 中的直流，此直流流经开关单元和电流取样单元，切换开关单元的通、断即可切换负载电流 的通、断。2)负载电流过流时，电流取样单元向逻辑控制电路发出过流信号，由逻辑控制电 路将开关单元切断。因为开关单元由高速电子开关元件构成，位于整流单元的直流输出回路 中，所以能实现快速过流保护。
本实用新型的逻辑控制电路包括启动信号延时单元、周期性信号产生单元、组合逻辑 单元和过流保护单元。
输入电路的输出信号、电流取样单元的输出信号是逻辑控制电路的输入信号，逻辑控制 电路的输出信号送到开关单元的控制端。
逻辑控制电路的功能是l)负载电流未过流时，依据输入电路的输出信号向开关单元发 出通、断切换信号。2)负载电流过流时，定时向开关单元发出导通控制信号，以便在负载电 流过流消失后，所述交直流过流保护固态继电器能自动恢复正常工作。
公知的交流固态继电器采用双向可控硅作为开关单元，直接对负载中的交流电流进行通、 断切换。由于可控硅只能在电流过零时关断，无法实现过流情况下的快速关断。与公知的交 流固态继电器相比，本实用新型具有过流保护及时的优点。
因为直流负载中的电流也能流经整流单元、开关单元和电流取样单元，所以本实用新型 也可以对直流负载电流进行通、断切换和过流保护，这也是本实用新型的优点。
负载电流过流消失后，在逻辑控制电路的控制下，所述的交直流过流保护固态继电器可 自动恢复正常工作，这也是本实用新型的优点。
本实用新型的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
图1是本实用新型的电路方框图； 图2是本实用新型的输出电路方框图； 图3是本实用新型的第一种实施例的电路图； 图4是本实用新型的第二种实施例的电路图。
具体实施方式
如图l所示，所述交直流过流保护固态继电器包括输入电路3、逻辑控制电路4和输 出电路5。负载和电源以串联方式接入端子6和端子7，所述交直流过流保护固态继电器根据 是否有直流电流经端子1流入，端子2流出，切换负载电流的通、断。
如图2所示，所述交直流过流保护固态继电器的输出电路包括开关单元ll、电流取样 单元12和整流单元13。由端子6、端子7流入整流单元13的负载电流在整流单元13的输出 回路中成为直流电流，此直流电流流经开关单元11和电流取样单元12。当负载电流过流时， 端子9和端子10向逻辑控制电路4输出负载电流过流信号，由端子8输入的逻辑控制电路4 的输出信号将开关单元ll切断。现对图3所示的第一种实施例进行详细说明。
输入电路包括端子l、端子2、光电隔离三极管14和电阻器15。电阻器15与光电隔离 三极管14的连接点为输入电路的输出端。当有直流电流经端子1流入，端子2流出时，输入 电路输出高电平，反之，输出低电平。
逻辑控制电路包括启动信号延时单元、周期性信号产生单元、组合逻辑单元和过流保
护单元。
启动信号延时单元由反相器16、电阻器17、电容器18和反相器19构成。其输入端为反 相器16的输入端，其输出端为反相器19的输出端。其功能是，将输入电路的输出信号延时。
周期性信号产生单元由反相器25、电容器26和电阻器27构成。其输出端为反相器25 的输出端。其功能是，产生周期性方波信号，送入组合逻辑单元。
组合逻辑单元由二输入端与非门20、 二输入端与非门21、 二输入端与非门22、 二输入 端与非门23和反相器24构成。组合逻辑单元的输入端是二输入端与非门20的输入端、二 输入端与非门21的输入端、二输入端与非门22的输入端、反相器24的输入端。组合逻辑单 元的输出端是二输入端与非门23的输出端。组合逻辑单元的功能是O在负载电流未过 流的正常情况下，根据输入回路的输出状态，向过流保护集成电路28的On引脚输出复位或 启动信号，复位信号为低电平，启动信号为高电平。2)在负载电流过流且输入电路输出高电 平时，向过流保护集成电路28的On引脚输出周期性的复位和启动信号，以使过流保护集成 电路28的Gate引脚周期性地输出瞬间高电平和低电平，直到负载电流过流消除，过流保护 集成电路28的Gate引脚停留在高电平。3)在负载电流过流且输入电路输出低电平时，向过 流保护集成电路28的On引脚输出复位信号。
组合逻辑单元的功能可用下逻辑式描述
(9w 二加W(Pr她"/o; + 5fecowc0
Pr二加W^fetoj Re a々
对上两式中的逻辑变量说明如下
StoW为输入电路的输出信号，施加于启动信号延时单元的输入端和组合逻辑单元的输入 端，&^/为高电平表示要求所述交直流过流保护固态继电器接通负载，反之，则表示要求所 述交直流过流保护固态继电器切断负载。
&"^/为周期性信号产生单元的输出信号，施加于组合逻辑单元的输入端，以供负载电
流过流保护后，使过流保护集成电路28进入复位和启动状态用。
Sto"^fe/qy为启动信号延时单元的输出信号，施加于组合逻辑单元的输入端，以供形成负 载电流过流保护信号Pr o e"/ow用。
Re"办为过流保护集成电路28的Ready引脚的输出信号，施加于组合逻辑单元的输入端。 当过流保护集成电路28的On引脚变为高电平时，经短时间延时后，过流保护集成电路28 的Ready引脚输出高电平，即Reo办信号为高电平，表示负载电流未过流。若过流保护集成电路28的On弓l脚变为高电平时，经短时间延时后，过流保护集成电路28的Ready引脚输 出低电平，即Rea办信号为低电平，则表示负载电流过流。
Pr她加Vw为过流保护信号，是中间逻辑变量，当其为高电平时，表示负载电流过流，反 之，则表示负载电流未过流。
O"为组合逻辑单元的输出信号，送至过流保护集成电路28的On引脚，当其为低电平时， 要求过流保护集成电路28复位，反之，则要求过流保护集成电路28启动。
过流保护单元由过流保护集成电路28构成。过流保护集成电路28为凌力尔特(LINEAR TECHNOLOGY)公司制造的LTC4213过流保护集成电路芯片。现结合图3说明其功能。
1) 由Sensep、 Sensen引脚采集电阻器30上的电压，Sensep、 Sensen引脚间的电压小于 设置值时，判定流经电阻器30中的电流未过流，Sensep、 Sensen引脚间的电压大于设置值时， 判定流经电阻器30中的电流过流。
2) 在On引脚为高电平时，过流保护集成电路28启动，若流经电阻器30中的电流未过 流，则Gate引脚输出高电平且维持高电平，场效应管29导通。
3) 在On引脚为高电平时，过流保护集成电路28启动，若此时电阻器30中的电流过流， 则Gate引脚的输出由高电平转为低电平，场效应管29关断。
4) On为低电平时，LTC4213的内部电路复位，Gate引脚输出低电平，场效应管29关断。
5) 电阻器30中的电流过流时，Ready引脚输出低电平，电阻器30中的电流未过流时， Ready引脚输出高电平。Ready引脚向组合逻辑单元提供流经电阻器30中电流的正常与过流 状态。
6) 通过将Isel引脚接到高电平、低电平或悬浮，设置流经电阻器30中电流的过流保护值。
7) Vcc、 Gnd引脚分别为供电电源引脚和供电电源参考端引脚。
开关单元由场效应管29构成。其功能是，在过流保护集成电路28的Gate引脚输出信号 的控制下切换负载电流的通、断状态。
电流取样单元由电阻器30构成。其功能是，将负载电流信号转换成电压信号。
整流单元包括二极管31、 二极管32、 二极管33和二极管34。此四个二极管构成全波桥 式整流器。负载以及为其供电的电源以串联方式接在全波桥式整流器的交流输入回路中，场 效应管29和电阻器30以串联方式接在全波桥式整流器的直流输出回路中。整流单元功能是， 将负载电流转换成直流电流送往开关单元11和电流取样单元12。
端子35为外接供电电源端，端子36为外接供电电源参考端。外部直流电源通过此两端 子向所述交直流过流保护固态继电器的输入电路3和逻辑控制电路4供电。
现对图4所示的第二种实施例进行详细说明。
输入电路包括端子l、端子2、光电隔离三极管14和电阻器15。电阻器15与光电隔离三极管14的连接点为输入电路的输出端。当有直流电流经端子1流入，端子2流出时，输入电路输出高电平，反之，输出低电平。
.逻辑控制电路包括启动信号延时单元、周期性信号产生单元、组合逻辑单元和过流保护单元。
启动信号延时单元由反相器16、电阻器17、电容器18和反相器19构成。其输入端为反相器16的输入端，其输出端为反相器19的输出端。其功能是，将输入电路的输出信号延时。
周期性信号产生单元由反相器25、.电容器26和电阻器27构成。其输出端为反相器25的输出端。其功能是，产生周期性方波信号，送入组合逻辑单元。
组合逻辑单元由二输入端与非门20、 二输入端与非门21、 二输入端与非门22、 二输入端与非门23和反相器24构成。组合逻辑单元的输入端是二输入端与非门20的输入端、二输入端与非门21的输入端、二输入端与非门22的输入端、反相器24的输入端。组合逻辑单元的输出端是二输入端与非门23的输出端。组合逻辑单元的功能是1)在负载电流未过流的正常情况下，根据输入回路的输出状态，向过流保护集成电路28的On引脚输出复位或启动信号，复位信号为低电平，启动信号为高电平。2)在负载电流过流且输入电路输出高电平时，向过流保护集成电路28的On.引脚输出周期性的复位和启动信号，以使过流保护集成电路28的Gate弓l脚周期性地输出瞬间高电平和低电平，直到负载电流过流消除，过流保护集成电路28的Gate引脚停留在高电平。3)在负载电流过流且输入电路输出低电平时，向过流保护集成电路28的On引脚输出复位信号。
组合逻辑单元的功能可用下逻辑式描述
Ow 二 5fe W(Pr她c"ow + 5fecowcO
Pr她criow 二 5V" t6fe/(^ Re "办
对上两式中的逻辑变量说明如下-.
5toW为输入电路的输出信号，施加于启动信号延时单元的输入端和组合逻辑单元的输入端，StoW为高电平表示要求所述交直流过流保护固态继电器接通负载，反之，则表示要求所述交直流过流保护固态继电器切断负载。
&"/^为周期性信号产生单元的输出信号，施加于组合逻辑单元的输入端，以供负载电流过流保护后，使过流保护集成电路28进入复位和启动状态用。
StoWcfe/ay为启动信号延时单元的输出信号，施加于组合逻辑单元的输入端，以供形成负载电流过流保护信号Pr ofc"/o"用。
Re"办为过流保护集成电路28的Ready引脚的输出信号，施加于组合逻辑单元的输入端。当过流保护集成电路28的On引脚变为高电平时，经短时间延时后，过流保护集成电路28的Ready引脚输出高电平，即Rea办信号为高电平，表示负载电流未过流。若过流保护集成电路28的On引脚变为高电平时，经短时间延时后，过流保护集成电路28的Ready引脚输出低电平，即Rea办信号为低电平，则表示负载电流过流。
8Prote"/卵为过流保护信号，是中间逻辑变量，当其为高电平时，表示负载电流过流，反之，则表示负载电流未过流。
Ow为组合逻辑单元的输出信号，送至过流保护集成电路28的On引脚，当其为低电平时，要求过流保护集成电路28复位，反之，则要求过流保护集成电路28启动。
过流保护单元由过流保护集成电路28构成。过流保护集成电路28为凌力尔特(LINEARTECHNOLOGY)公司制造的LTC4213过流保护集成电路芯片。现结合图4说明其功能。
1) 由Sens印、Sensen引脚采集场效应管29漏极、源极间的电压，Sensep、 Sensen引脚间的电压小于设置值时，判定流经场效应管29中的电流未过流，Sensep、 Sensen引脚间的电压大于设置值时，判定流经场效应管29中的电流过流。
2) 在On引脚为高电平时，过流保护集成电路28启动，若流经场效应管29中的电流未过流，则Gate引脚输出高电平且维持高电平，场效应管29导通。
3) 在On引脚为高电平时，过流保护集成电路28启动，若此时场效应管29中的电流过流，则Gate引脚的输出由高电平转为低电平，场效应管29关断。
4) On为低电平时，LTC4213的内部电路复位，Gate引脚输出低电平，场效应管29关断。
5) 场效应管29中的电流过流时，Ready引脚输出低电平，场效应管29中的电流过流时，Ready引脚输出高电平。Ready引脚向组合逻辑单元提供流经场效应管29中电流的正常与过流状态。
6) 通过将Isel引脚接到高电平、低电平或悬浮，设置流经场效应管29中电流的过流保护值。
7) Vcc、 Gnd引脚分别为供电电源引脚和供电电源参考端引脚。
开关单元由场效应管29构成。其功能是，在过流保护集成电路28的Gate引脚输出信号的控制下切换负载电流的通、断状态。
电流取样单元由场效应管29构成。其功能是，将负载电流信号转换成电压信号。整流单元包括二极管31、 二极管32、 二极管33和二极管34。此四个二极管构成全波桥式整流器。负载以及为其供电的电源以串联方式接在全波桥式整流器的交流输入回路中，场效应管29接在全波桥式整流器的直流输出回路中。整流单元功能是，将负载电流转换成直流电流送往开关单元11和电流取样单元12。本图中开关单元、电流取样单元均由场效应管29构成。
端子35为外接供电电源端，端子36为外接供电电源参考端。外部直流电源通过此两端子向所述交直流过流保护固态继电器的输入电路3和逻辑控制电路4供电。
权利要求1.一种交直流过流保护固态继电器，由输入电路(3)、逻辑控制电路(4)和输出电路(5)三部分组成，本实用新型的特征是，所述输出电路(5)包括整流单元(13)、开关单元(11)和电流取样单元(12)，负载以及为负载供电的电源以串联方式接在所述整流单元(13)的交流输入回路中，所述开关单元(11)接在所述整流单元(13)的直流输出回路中，用于切换负载电流的通、断，所述电流取样单元(12)接在所述整流单元(13)的直流输出回路中，所述逻辑控制电路(4)的输出端与所述开关单元(11)的控制端相连，用于切换所述开关单元(11)的通、断状态。
2. 根据权利要求1所述的交直流过流保护固态继电器，其特征是，所述输出电路(5) 的两个外接端子(6)、 (7)分别是所述整流单元(13)的两个交流输入端，负载以及为负载 供电的电源以审联方式接在所述输出电路(5)的两个外接端子(6)、 (7)之间，所述输出电 路(5)的一个输入端是所述开关单元(11)的控制端(8)，与所述逻辑控制电路(4)的输 出端相连，所述输出电路(5)的两个输出端(9)、 (10)是所述电流取样单元(12)的两个 输出端，与所述逻辑控制电路(4)的两个输入端相连，用于向所述逻辑控制电路(4)提供 负载电流信号。
3. 根据权利要求1所述的交直流过流保护固态继电器，其特征是，所述逻辑控制电路(4) 包括启动信号延时单元、周期性信号产生单元、组合逻辑单元和过流保护单元，所述逻辑控 制电路(4)的一个输入端与所述输入电路(3)的输出端相连，所述逻辑控制电路(4)的另 外两个输入端与所述输出电路(5)-的两个输出端相连，所述逻辑控制电路(4)的输出端与 所述输出电路(5)的输入端相连。
4. 根据权利要求1或2所述的交直流过流保护固态继电器，其特征是，所述整流单元(13) 由全波整流器构成，负载以及为负载供电的电源以串联方式接在全波整流器的交流输入回路 中，所述开关单元(11)接在所述全波整流器的直流输出回路中，所述电流取样单元(12) 接在所述全波整流器的直流输出回路中。
5. 根据权利要求1或2所述的交直流过流保护固态继电器,其特征是，所述开关单元(11) 由电子开关元件构成，接在所述整流单元(13)的直流输出回路中，所述电子开关元件的控 制端与所述逻辑控制电路(4)的输出端相连。
6. 根据权利要求1或2所述的交直流过流保护固态继电器，其特征是，所述电流取样单 元(12)由电流传感器构成，用于检测所述整流单元(13)的直流输出回路中的电流，所述 电流传感器的输出端与所述逻辑控制电路(4)的输入端相连。
7. 根据权利要求或2所述的交直流过流保护固态继电器，其特征是，所述电流取样单 元(12)由所述开关单元(11)中的电子开关元件构成，接在所述整流单元(13)的直流输 出回路中，所述整流单元(13)的直流输出端就是所述电子开关元件即所述电流取样单元(12) 的输出端。
8. 根据权利要求1或2所述的交直流过流保护固态继电器，其特征是，所述电流取样单元(12)由电阻器构成，所述电阻器和所述开关单元(ll)以串联方式接在所述整流单元U3) 的直流输出回路中，所述电阻器的两端就是所述电流取样单元(12)的输出端。
9. 根据权利要求1或3所述的交直流过流保护固态继电器，其特征是，所述周期性信号 产生单元由振荡器构成，用于在负载过流时产生复位和启动信号。
10. 根据权利要求1或3所述的交直流过流保护固态继电器，其特征是，所述过流保护 单元由过流保护集成电路(28)构成。
专利摘要本实用新型公开了一种交直流过流保护固态继电器，所属技术领域是固态继电器。本实用新型旨在提供一种可对交、直流负载电流进行过流保护且可在负载电流过流消失后自动恢复正常工作的固态继电器。本实用新型由输入电路、逻辑控制电路和输出电路组成。输出电路包括整流单元、开关单元和电流取样单元。逻辑控制电路包括启动信号延时单元、周期性信号产生单元、组合逻辑单元和过流保护单元。在整流单元的输出回路中接入开关单元和电流取样单元，交流输入回路中以串联方式接入负载以及为负载供电的电源。逻辑控制电路切换开关单元的通、断状态，实现对交、直流负载电流的通、断切换和快速过流保护。本实用新型可广泛应用于工业及国民经济的其它领域。
文档编号H03K17/082GK201332391SQ20082011569
公开日2009年10月21日 申请日期2008年11月27日 优先权日2008年11月27日
发明者陶安利 申请人:山东科技大学