专利名称：自动切换两路直流电源的两极静态开关的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电气自动控制领域。
背景技术：
静态开关由于无触点、无火花、寿命长、通断时间短以及压降较大、通断欠可靠和稳定的特点正逐渐被应用。自动切换两路直流电源的两极静态开关的主要指标是关断后绝缘隔离性好；开通、关断可靠；温度特性好，在规定环境温度范围内受影响很小； 达到两路直流电源可靠、稳定、自动切换。目前公知的两路直流电源自动切换静态开关是正极或负极单极切换，因此开关断开后不能达到正、负两极绝缘隔离；没有状态互锁功能，导致静态开关受干扰时开通、关断欠可靠；另外没有带温度补偿的自动切换控制，致使自动切换时的设定电压值受环境温度影响明显；开关切换不能达到理想的使用要求
实用新型内容
所要解决的技术问题解决自动切换两路直流电源的两极静态开关在关断后绝缘隔离性较差的技术问题；解决两组静态开关通、断状态没有互锁功能，导致静态开关受电磁干扰而影响通、断可靠的技术问题；解决自动切换没有温度补偿而导致温度特性较差、影响自动切换电压值稳定的技术问题，达到关断后具有符合要求的绝缘隔离；直流静态开关开通、关断可靠；具有良好的温度特性，在规定环境温度范围内稳定地自动切换。技术方案自动切换两路直流电源的两极静态开关的电路由自动切换控制电路、 触发电路、两极静态开关电路等三个电路单元组成，自动切换控制电路板中集成了两路相同的自动切换控制电路，两路自动控制电路均由带温度补偿的光电隔离取样电路、比较器电路、带双稳态互锁的驱动电路、工作电源电路构成，其特征在于①所述的两极静态开关电路由两组两极静态开关、输出端正负极两个熔断器和一组输入、输出接线端子组成，与一路直流电源正、负两个极连接的两个开关器件组成一组两极静态开关，分别连接两路直流电源的两组静态开关包括四个开关器件，对应连接至两路直流电源的正、负两极；②所述的触发电路由四个触发模块、两个指示灯组成，两个触发模块组成一组，其输出端与一组静态开关的控制极、阴极连接，其输入端与自动切换控制电路的驱动电压输出接口连接，两个指示灯分别指示两组触发模块是否得到触发电压；③所述的自动切换控制电路由自动切换控制电路板、两个备用手动开关组成，其中在自动切换控制电路板上集成了两路相同的自动控制电路，每路自动控制电路由带温度补偿的光电隔离取样电路、比较器电路、带双稳态互锁的驱动电路和工作电源电路构成，两路直流电源分别连接至两路自动控制电路的输入接口，两路输出接口分别连接至四个触发模块和两个指示灯；两个备用手动开关分别通过自动控制电路的两个开关接口连接至驱动电路中的双稳态互锁电路中；④所述的带温度补偿的光电隔离取样电路由分压取样电路、光电隔离耦合器、 温度补偿电路组成；⑤所述的比较器电路由运算放大器和反馈电阻、电容等组成；⑥所述的带双稳态互锁的驱动电路由两个光电耦合器构成的双稳态互锁电路和由驱动三极管构成的驱动电路组成。自动切换两路直流电源的两极静态开关的机箱由机门、围壳、散热器组成，其特征在于[0007]①所述的机门由门板、铰链、门锁组成，铰链、门锁固定在门板上，机门通过铰链连接安装在围壳上，指示灯和备用手动开关安装在机门上，自动切换控制电路板通过衬板安装在机门内侧；②所述的围壳由壳体、铰链、安装支脚、填料函构成，铰链固定在围壳和机门左边的对应位置，插入轴销后连接安装机门，填料函固定在围壳的下面；③所述的散热器是标准铝型材散热器，作为机箱的背板与围壳固定在一起，其上安装有四个开关器件、四个触发模块、两个熔断器、接线端子等电气元器件，散热器主要为开关器件散热。有益效果本实用新型具有两组两极换静态开关，解决了静态开关关断后的绝缘隔离缺陷，达到了规定的两极绝缘隔离；具有光电耦合双稳态互锁电路，消除了电磁干扰的影响，致使静态开关的通、断可靠；通过具有温度补偿的光电隔离取样电路，使取样信号稳定、线性耦合，从而使两组两极静态开关达到规定的温度特性。经测试，绝缘隔离达到了规定的绝缘电阻值，在规定的温度范围内两极静态开关按设定电压自动切换稳定、可靠，达到要求的温度特性，从而实现了两路直流电源的可靠、稳定地自动切换；提高了电源系统的可靠性；降低了电源切换对负载的冲击和对环境的电磁污染。
图1是本实用新型的主视图；图2是图1的俯视图；图3是本实用新型机箱内的的结构图；图4是本实用新型机门内的结构图；图5是本实用新型电路的方块图；图6是本实用新型主电路的电路结构图；图7是图5和图6中所示的自动切换控制电路板的电路结构图；图8是本实用新型的主要控制电压和输出电压波形图。图中1.机门2.围壳3.散热器4.壳体5.填料函6.安装支脚7.触发模块8.触发模块9.触发模块10.触发模块11.指示灯12.指示灯13.备用手动开关14.备用手动开关15.自动控制电路16.自动控制电路17.自动切换控制电路板18.门板19.门锁20.铰链21.开关器件22.开关器件23.开关器件24.开关器件25.两极静态开关26.两极静态开关27.熔断器28.熔断器29.接线端子30铰链套100.自动切换控制电路200.触发电路300.两极静态开关电路自动切换控制电路板17的电路结构见图7，图中151.光电隔离取样电路152.比较器电路153.驱动电路154.工作电源电路161.光电隔离取样电路162.比较器电路163. 驱动电路164.工作电源电路110.直流电源120.直流电源131.工作电源111.基准电压 112.取样电压信号113. “导通”信号114.基极电压115.集电极电压116.驱动电压117. 触发电流118.触发电流121.基准电压122.取样电压信号123. “导通”信号124.基极电压 125.集电极电压126.驱动电压127.触发电流128.触发电流31.取样电阻32.取样二极管 33.取样电位器34.取样电容35.双光电耦合器36.取样隔离光电耦合器37.温度补偿光电耦合器38.热敏电阻39.补偿电阻40.输出电阻41.输入电阻42.分压电阻43.分压电阻45.反馈电阻46.反馈电容47.运算放大器48.发光二极管49.限流电阻50.分流电阻 51.基极电阻52.驱动三极管53.集电极电阻54.温度补偿二极管55.光电耦合器56.电
4源模块57.隔离二极管58.滤波电容59.滤波电容61.取样接口 63.驱动输出接口 65.开关接口 71.取样电阻72.取样二极管73.取样电位器74.取样电容75.取样双光电耦合器 76.取样隔离光电耦合器77.温度补偿光电耦合器78.热敏电阻79.输出电阻80.比较器输入电阻81.电阻82.分压电阻83.分压电阻85.反馈电阻86.反馈电容87.运算放大器 88.发光二极管89.限流电阻90.分流电阻91.基极电阻92.驱动三极管93.集电极电阻 94.温度补偿二极管95.光电耦合器96.电源模块97.隔离二极管98.滤波电容99.滤波电容62.取样接口 64.驱动输出接口 66.开关接口
具体实施方式
由图5、图6可见，自动切换两路直流电源的两极静态开关由自动切换控制电路 (100)、触发电路(200)和两极静态开关电路(300)三个电路单元组成。两极静态开关电路(300)由两极静态开关05)两极静态开关(沈)、熔断器、2Τ) 和熔断器( )、接线端子09)组成，两极静态开关05)包括开关器件和开关器件 (22)；两极静态开关06)包括开关器件03)和开关器件04)；触发电路Q00)由触发模块(7)、(8)、(9)、(10)，指示灯(11)、(12)组成；自动切换控制电路(100)由自动切换控制电路板(17)、备用手动开关(13)、(14)组成。自动切换控制电路板(17)的电路结构如图 7所示，在其中集成了电路结构相同的自动控制电路(15)和自动控制电路(16)。自动控制电路(15)由光电隔离取样电路(151)、比较器电路(152)、驱动电路(153)、工作电源电路 (154)组成；自动控制电路(16)由光电隔离取样电路(161)、比较器电路(162)、驱动电路 (163)、工作电源电路(164)组成；由于自动控制电路(15)和(16)的电路结构、工作原理相同仅标记编号不同，因此以自动控制电路(15)为主进行说明。光电隔离取样电路(151)由取样电阻(31)、取样二极管(32)、取样电位器(33)和取样电容(34)、包括取样隔离光电耦合器(36)、温度补偿光电耦合器(37)的双光电耦合器 (35)、热敏电阻(38)、补偿电阻(39)、输出电阻00)等组成。调节取样电位器(33)可改变取样电压值，即按设计要求设定自动切换电压值；双光电耦合器(3 将直流电源(110) 与自动控制电路(15)、(16)进行隔离，提高自动控制电路的安全性和可靠性；光电耦合器 (37)、热敏电阻(38)补偿电阻(39)对光电隔离取样电路进行温度补偿，以保证静态开关的温度特性。比较器电路(152)由输入电阻(41)、分压电阻(42)、(43)、运算放大器(47)、反馈电阻05)、反馈电容06)等组成。当取样电压信号(112)高于基准电压(111)时，比较运算放大器G7)输出“导通”信号(113)为高电平；当取样电压信号(112)等于或低于基准 (111)时，比较运算放大器(47)输出为低电平，中断“导通”信号(113)。反馈电阻(45)改善“导通”信号(11 的上升沿和使“导通”信号稳定，反馈电容G6)可抵消部分输入端的交流和瞬态干扰。驱动电路(153)由发光二极管08)、限流电阻09)、分流电阻(50)、基极电阻 (51)、驱动三极管(52)、集电极电阻(53)、温度补偿二极管(54)及连接两路控制电路的光电耦合器(5 的二极管、光电耦合器(卯)的三极管等组成。驱动三极管(5 对“导通” 信号进行功率放大，产生驱动电压(116)，通过输出接口(6 将驱动电压(116)加至触发模块(7)、(8)和指示灯(11)；光电耦合器(55)和光电耦合器(95)构成双稳态互锁电路，初
5始稳态是光电耦合器(％)饱和导通、光电耦合器(5 截止。工作电源电路(154)由具有隔离功能的电源模块(56)、隔离二极管(57)、滤波电容(58)、(59)组成。工作电源电路(154)与工作电源(164)的电路结构相同，组成冗余结构，输出12V供控制电路作为工作电源(131)，一旦其中一路电源失电，另一路仍会不间断地向两路自动切换控制电路供电，因此提高了本静态开关的可靠性。本实用新型的两极静态开关的导通状态首先取决于两路直流电源的电压是否高于自动切换的设定值，当两路直流电源电压均达到此条件，则先加上直流电源的两极静态开关为优先导通，为叙述方便，设初始时两路直流电源的电压均高于自动切换的设定值，并且直流电源(110)先加至两极静态开关05)。开关器件和开关器件02)组成一组两极静态开关(25)，分别接入直流电源 (110)的正、负极；开关器件03)和开关器件04)组成另一组两极静态开关(沈)，分别接入直流电源(120)的正、负极。熔断器(XT)和熔断器08)作为直流电源的输出短路保护。 当开关器件和开关器件02)导通、开关器件03)和开关器件04)关断时，直流电源 (110)通过两极静态开关05)、熔断器(XT)、(28)、接线端子09)输出至负载；当开关器件 (21)和开关器件02)关断、开关器件03)和开关器件04)导通时直流电源(120)通过两极静态开关(26)、熔断器07)、( )、接线端子09)输出至负载。控制这两组两极静态开关自动切换需要触发电流(117)、(118)与(127)、(1 )的自动切换，这两组触发电流是由触发电路(200)中的触发模块(7)、(8)和触发模块(9)、(10)输出的。触发模块(7)、(8) 和(9)、(10)分别连接至自动控制电路(15)和(16)的驱动输出接口(63)、(64)。取样接口(61)为直流电源(110)的电压输入接口，取样电阻(31)、电源模块(56)的正极端并联至直流电源(110)的正极；取样电位器(33)、取样电容(34)、双光电耦合器(3 输入侧二极管阴极的连接点及电源模块(56)的负极连接至直流电源(110)的负极，进行电压取样和作为工作电源的一次电压输入。在、时直流电源(110)被接通至两极静态开关(25)，直流电源(110)的电压经过取样电阻(31)、取样二极管(32)、取样电位器(3 与双光电耦合器(3 输入侧的二极管并联分压后获得了取样电压，其中光电耦合器(36)将取样电压隔离后输出，经输入电阻 (41)将取样电压信号(11 加至比较器电路的运算放大器G7)的正输入端，运算放大器 (47)的负输入端接基准电压(111)，波形如图8中的(112)所示；由于取样电压信号(112) 高于基准电压(111)，运算放大器G7)输出高电平“导通”信号(113)，波形见图8中的 (113)；由于此时直流电源(120)未接通，自动控制电路(16)中的双稳态互锁电路的初始状态使驱动三极管(9 处于截止状态，使光电耦合器(％)处于截止状态，运算放大器G7) 输出的高电平“导通”信号(113)经过基极电阻(51)加到驱动三极管(52)的基极，波形如图8中(114)所示；基极电压(114)使驱动三极管(52)饱和导通，其集电极电压(115)为低电平，产生的驱动电压(116)，波形见图8中的(115)、(116)；驱动电压(116)通过输出接口 (63)分别被加至触发模块(7)、(8)和指示灯(11)的输入端，经触发模块(7)、(8)隔离后输出触发电流(117)、(118)被加至开关器件(21) “22)，使开关器件(21) “22)导通，即两极静态开关0 导通，致使直流电源(110)通过两极静态开关0 、熔断器(XT)、(28)、 接线端子09)向负载供电，输出电压波形如图8中的(130)所示，指示灯(11)发光，指示触发模块(7)、(8)获得触发电压；同时，由于直流电源(120)没有接通，并且双稳态互锁电
6路锁定了三极管(5 输出驱动电压(116)，三极管(9 没有驱动电压输出，导致触发模块 (9)、(10)没有触发电流，开关器件03)、04)截止，两极静态开关06)处于关断状态。运行至tl时刻，直流电源(120)接通，自动控制电路(16)中的取样电路(161)输出取样电压信号(122)并高于基准电压(121)，因此比较器电路(162)输出高电平的“导通” 信号(123)，但由于初始时驱动三极管(5 已经饱和导通，导致双稳态互锁电路中的光电耦合器(5 的发光二极管导通，通过光电耦合使光电耦合器(5 的三极管饱和导通，因此将“导通”信号(12 短路，使驱动三极管(9 基极电压(124)为零而截止，从而锁定了驱动三极管(5 导通、驱动三极管(9 截止的状态；由于驱动三极管(9 截止，其集电极电压(125)为高电平，使触发模块(9)、(10)驱动电压(126)为零，导致触发电流(127)、(128) 为零、使开关器件03)、(24)处于关断状态，继续锁定了两极静态开关05)导通、06)关断的状态，电路在、至t2时间内继续保持直流电源(110)通过两极静态开关05)、熔断器 (27), ( )、接线端子09)向负载供电状态，波形如图8中(122)、(123)、(124)、(125)和 (126)所示。至、时直流电源(110)的电压降低至自动切换的设定值，取样电路(151)输出的取样电压信号(112)等于基准电压(111)，使运算放大器G7)输出低电平，中断“导通”信号(113)，使驱动三极管(5 基极电压(114)为零，导致驱动三极管(5 转为截止，致使驱动电压(116)中断，波形如图8中(112)、(113)、(114)、(115)、(116)所示；指示灯(11) 失去驱动电压(116)而熄灭，触发模块(7)、⑶无驱动电压(116)而中断触发电流(117)、 (118)，进而使开关器件、(22)失去触发电流；同时由于驱动三极管(52)截止而使光电耦合器(5 的二极管截止，通过光电耦合使光电耦合器(5 的三极管截止，双稳态互锁电路翻转，比较器电路(162)中运算放大器(87)输出的高电平“导通”信号(12 通过基极电阻(91)被加到驱动三极管(9 的基极，使其饱和导通、集电极电压(12 为低电平，产生的驱动电压(126)通过输出插口(64)分别被加至触发模块(9)、(10)和指示灯(12)的输入端，指示灯(12)发光，波形如图8中(122)、(123)、(124)、(125)和(126)所示；触发模块(9)、(10)经隔离后输出触发电流(127)、(128)，致使开关器件(23), (24)导通，直流电源(120)通过两极静态开关(沈)、熔断器07)、(观)、接线端子09)向负载供电，输出波形见图8中(130)。由于此时直流电源(120)的电压高于直流电源(110)的电压，使开关器件(21)、开关器件02)的阴极电位高于阳极而关断，实现两路直流电源无间断地切换。至、时由于电源系统使直流电源(110)的电压升高至设定的自动切换电压之上， 取样电路(151)输出的取样电压信号(11 高于基准电压(111)，致使比较器电路(152) 输出高电平“导通”信号(113)，但由于双稳态互锁电路的状态没有反转，电路继续下述状态光电耦合器(％)的二极管导通，通过光电耦合使光电耦合器(％)的三极管饱和导通， 使“导通”信号(11 在被光电耦合器(％)短路，致使基极电压(114)为零，使驱动三极管 (52)截止，驱动三极管(9 导通，进而锁定了触发模块(7)、(8)无驱动电压(116)和触发电流(117)、(118)，锁定了两极静态开关05)关断、(26)导通的状态，两路自动控制电路中的电压波形和电源输出波形见图8。至t4时直流电源(120)的电压低至自动切换的设定值，自动控制电路(16)重复自动控制电路(15)在、时刻的过程；自动控制电路(15)重复自动控制电路(16)在、时刻的过程，自动切换控制电路控制触发电路转换输出电流，进而使两极静态开关切换、实现两路直流电源切换，各电压波形见图8，不再详细说明。由于自动控制电路(15)与(16)具有相同的电路结构和工作原理，当先接通直流电源(120)时，自动控制电路(16)的工作过程与自动控制电路(15)的工作过程相同，“接通”信号(12 会使驱动三极管(9 饱和导通，进而使驱动三极管(5 截止，致使触发模块(9)、(10)获得触发电压并输出触发电流，使开关器件03)、(24)导通，直流电源(120) 通过两极静态开关(26)、熔断器07)、( )、接线端子09)输出，不再详细说明。备用手动开关(13)、(14)是两个相同的开关，每个开关由一组常闭触点组成，当需要人工切换时可操作对应触发模块没有驱动电压的那一路备用手动开关，常闭触点成为开路，使连接的光电耦合器的三极管由饱和导通转为开路，导致运算放大器输出的“导通” 信号加到驱动三极管的基极，使驱动三极管由截止转为饱和导通，致使双稳态互锁电路翻转，使原饱和导通的驱动三极管截止，导致两路自动控制电路的驱动输出发生翻转原未输出驱动电压的一路输出驱动电压、原输出驱动电压的一路中断驱动电压，导致未导通的一组静态开关得到触发电流而导通、原导通的一组静态开关被中断触发电流，致使未输出的一路直流电源输出，此时由于新输出的电源电压高于原输出的电压使原导通的一组两极静态开关的开关器件的阴极电位高于阳极而关断，使原输出的一路直流电源停止输出，实现两路直流电源无间断地切换。由于双稳态互锁电路反转后锁定了自动控制电路的状态， 当手动开关松开后触点闭合，电路状态仍然保持不变。自动切换两路直流电源的两极静态开关的机箱由机门(1)、围壳O)、散热器(3) 组成。机门(1)由门板(18)、门锁(19)、铰链(20)构成，铰链(20)、门锁(19)固定在门板 (18)上，机门通过铰链连接安装在围壳上达到自如开闭，指示灯(11)、(12)和备用手动开关(13)、(14)安装在机门上便于使用操作，自动切换控制电路板(17)安装在机门内侧的衬板上，可方便组装、调试、维修。围壳( 由壳体G)、填料函(5)、安装支脚(6)、铰链座(30) 构成，铰链座(30)固定在围壳上，与面板的铰链00)连接安装；填料函( 固定在围壳的下面，用于安装输入、输出电缆；采用紧固螺钉通过围壳的折边将围壳( 与散热器(3)紧固安装。散热器C3)是标准铝型材散热器，兼作机箱的背板与围壳固定在一起，其上安装有四个开关器件(21)、(22)、(23)、(24)，四个触发模块(7)、(8)、(9)、(10)、两个熔断器(27)、 ( )、接线端子(29)等电气元器件，散热器主要为开关器件(21)、(22), (23), (24)散热； 机箱的六面箱壁由金属制成，组装完成后达到面导电连接，具有电磁屏蔽的功能。
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权利要求1.自动切换两路直流电源的两极静态开关的电路由自动切换控制电路、触发电路、两极静态开关电路等三个电路单元组成，自动切换控制电路板中集成了两路相同的自动切换控制电路，两路自动控制电路均由带温度补偿的光电隔离取样电路、比较器电路、带双稳态互锁的驱动电路、工作电源电路构成，其特征在于①所述的两极静态开关电路由两组两极静态开关、输出端正负极两个熔断器和一组输入、输出接线端子组成，与一路直流电源正、负两个极连接的两个开关器件组成一组两极静态开关，分别连接两路直流电源的两组静态开关包括四个开关器件，对应连接至两路直流电源的正、负两极；②所述的触发电路由四个触发模块、两个指示灯组成，两个触发模块组成一组，其输出端与一组静态开关的控制极、阴极连接，其输入端与自动切换控制电路的驱动电压输出接口连接，两个指示灯分别指示两组触发模块是否得到触发电压；③所述的自动切换控制电路由自动切换控制电路板、两个备用手动开关组成，其中在自动切换控制电路板上集成了两路相同的自动控制电路，每路自动控制电路由带温度补偿的光电隔离取样电路、比较器电路、带双稳态互锁的驱动电路和工作电源电路构成，两路直流电源分别连接至两路自动控制电路的输入接口，两路输出接口分别连接至四个触发模块和两个指示灯；两个备用手动开关分别通过自动控制电路的两个开关接口连接至驱动电路中的双稳态互锁电路中；④所述的带温度补偿的光电隔离取样电路由分压取样电路、光电隔离耦合器、温度补偿电路组成；⑤所述的比较器电路由运算放大器和反馈电阻、电容等组成；⑥所述的带双稳态互锁的驱动电路由两个光电耦合器构成的双稳态互锁电路和由驱动三极管构成的驱动电路组成。
2.两路直流电源自动切换的两极静态开关的机箱由机门、围壳、散热器组成，其特征在于①所述的机门由门板、铰链、门锁组成，铰链、门锁固定在门板上，机门通过铰链连接安装在围壳上，指示灯和备用手动开关安装在机门上，自动切换控制电路板通过衬板安装在机门内侧；②所述的围壳由壳体、铰链、安装支脚、填料函构成，铰链固定在围壳和机门左边的对应位置，插入轴销后连接安装机门，填料函固定在围壳的下面；③所述的散热器是标准铝型材散热器，作为机箱的背板与围壳固定在一起，其上安装有四个开关器件、四个触发模块、两个熔断器、接线端子等电气元器件，散热器主要为开关器件散热。
专利摘要自动切换两路直流电源的两极静态开关在电气自动控制领域替代传统接触器要解决静态开关的绝缘隔离性较差问题；电磁干扰影响通断可靠的问题；环境温度影响自动切换稳定的问题。本实用新型的电路由自动切换控制电路、触发电路、两极静态开关电路组成；机箱由机门、围壳、散热器组成。由于具有两组两极静态开关，解决了两路静态开关的绝缘隔离问题；具有光电耦合双稳态互锁驱动电路，使两极静态开关的通、断可靠；具有温度补偿的光电隔离取样电路，使两组静态开关达到规定的温度特性、自动切换稳定。主要应用于需要可靠、稳定、自动切换两路直流电源的电气系统。
文档编号H03K17/14GK202050392SQ201020647069
公开日2011年11月23日 申请日期2010年12月2日 优先权日2010年12月2日
发明者刘庆乐, 朱林, 王维生 申请人:大连市船用电器有限公司