一种具有高效保护功能的智能固态继电器的制作方法

本实用新型涉及一种固态继电器，特别是一种具有自动保护和散热功能的智能固态继电器。

背景技术：

固态继电器（Solid State Relay,缩写SSR），是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。固态继电器是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，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。

常规固态继电器失效、损坏主要形式有过温、短路和过压。一般情况下，无论是固态继电器运作环境的温度还是它自身运作过程中的升温情况都对它的负载能力有较大的影响。继电器自身会发热是由于工作过程中内部芯片的功率损耗需要被消耗掉，因此发热是消耗损耗的一种形式。造成常规固态继电器过温损坏的是器件内部的热疲劳现象，原因有散热设计不当，驱动电路设计不合理，外界负载发生的变化等。

固态继电器是以半导体开关器件作为功率输出部件的，对温度的变化较为敏感，过电流会使半导体芯片过热而造成品质下降,寿命降低甚至永久性损坏。虽然固态继电器在瞬间可以承受额定电流10倍以上的浪涌电流,但超过此值很容易造成永久性损坏。造成固态继电器短路损坏的原因是负载绝缘不良，外界杂物引起的桥路短路等。

当负载为感性或容性时，很可能产生大于固态继电器所能承受的瞬态电压(阻断电压)和电压上升率。若保护措施不当或响应不灵敏，不仅会造成固态继电器失控，严重时还可能烧毁固态继电器或设备。造成固态继电器过压损坏的原因是母线电压上升，外来噪声(雷电浪涌)和感性负载发生的关断峰值电压等。以上的失效损坏形式已经包含了固态继电器的95％以上的失效损坏范围。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够自动检测继电器电路中的电流和电压，同时检测继电器中器件的温度，自动和快速的进行散热处理和过流过压保护的智能固态继电器。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型一种具有高效保护功能的智能固态继电器，包括壳体，所述壳体内设置有散热装置，散热装置设置于壳体底板上，其上安装有DCB板，DCB板上设有集成电路；所述集成电路包括耦合电路、触发电路、开关电路、吸收电路和过零控制电路。

以上结构，继电器中的散热装置可以解决继电器的过热热问题，加快继电器的散热效果。

本实用新型一种具有高效保护功能的智能固态继电器，所述壳体为石墨烯外壳，内设有一防磁层。

以上结构中的石墨烯外壳具有很好的导热性能，可以加快继电器的散热；防磁层可以减小外界的磁场干扰，保证继电器的正常工作。

本实用新型一种具有高效保护功能的智能固态继电器，所述散热装置包括散热板和风扇；所述散热板由基板和肋片组成，肋片设置于基板上，肋片之间有间隔，肋片的高度小于肋片的长度，肋片与壳体之间有间隙，可以进行空气流通，基板上设置有风扇。

以上结构中的散热板，通过相邻之间不接触的肋片，再配置风扇，能够达到快速散热的功能，防止继电器器件的损坏。

本实用新型一种具有高效保护功能的智能固态继电器， 所述耦合电路由限流电阻R3和光耦合器组成，所述光耦合器为发光二极管D2和三极管Q1的组合，光耦合器将输入与输出电路在电气上隔离开；所述发光二极管D2串联一个LED，用于指示输入端控制信号，同时发光二极管D2上还并联了二极管D1，可防止当输入信号正负极性接反时以保护光耦合器；三极管Q1的集电极串联电阻R2，连接CA3059的引脚9；三极管Q1的发射极连接CA3059的引脚7，同时连接输出端；所述CA3059的输出引脚4，连接双向可控硅VS，同时并联R6—C2吸收电路；所述触发电路和过零控制电路集成于CA3059上。

以上结构中使用的是光耦合器可以避免机械接触进行电器隔离，能够很好的将输入电路和输出电路隔开；CA3059集成电路内有过零检测电路、触发电路，并且有外圈元件少、体积小、成本低和无射频干扰的特点，在本实用新型中可以替代过零检测和触发的作用，同时减小占用空间，发热少，有利于过热问题的改善。

本实用新型一种具有高效保护功能的智能固态继电器，还包括控制系统，所述控制系统包括检测模块、控制模块和执行模块，所述检测模块，用于检测继电器电路中的电压、电流和元件的温度；所述控制模块，用于接收检测模块的数据，并与预设阈值进行比较，发出执行命令；执行模块，用于接收控制模块发送的执行命令，进行过压、过流和过热保护。

以上结构中的控制系统，可以自动和快速的检测到继电器电路中的过流、过压和过热，及时解决这些问题，保证继电器的正常工作。

本实用新型一种具有高效保护功能的智能固态继电器，所述检测模块包括电流采样电路、电压采样电路和温度传感器；所述控制模块采用的是PIC18F2580单片机；所述执行模块采用智能开关，包括用于过流保护设置于输出端的快速熔断器，用于过压保护并联于输出端的R6—C2吸收回路和设置于快速熔断器之后的压敏电阻，用于过热保护设置于输入端的开关和控制风扇的执行器。

以上结构，快速熔断器可以反映并执行在10Ms(50Hz)以内超过SSR浪涌电流承受值的浪涌电流和短路电流的保护；R6—C2吸收回路可以有效地抑制瞬间电压，压敏电阻保护吸收宽脉冲的过电压，进行过压保护；风扇可以加快散热，解决过热问题。

本实用新型一种具有高效保护功能的智能固态继电器，所述电流采样电路包括GCT–201B电流互感器，其并联电阻，输出测量电流。

以上结构，采样电路简单，由于不使用运放，不需要外接直流电源，避免了运放的温飘等不稳定因素，大大提高了可靠性。

本实用新型一种具有高效保护功能的智能固态继电器，所述电压采样电路包括霍尔电压传感器CHV-50P，其与被测量电路并联连接，串联电阻，输出电流正比于输入电压。

以上结构，霍尔电压传感器CHV-50P的输出端与输入电路是电隔离，可测量直流、交流和脉冲电压，电压采样电路性能稳定可靠，易于安装。

本实用新型一种具有高效保护功能的智能固态继电器，所述控制系统还包括设置于DCB板上的无线通讯模块，连接控制模块，用于发送检测信号和接收远程控制信号。

以上结构中的无线通讯模块可以使继电器进行远程的控制，方便使用于恶劣的环境中。

本实用新型一种具有高效保护功能的智能固态继电器，还包括基于控制系统的控制方法，其步骤为：

步骤一：电流采样电路将采集到的电流信息转化为电流数字信号，上传到PIC18F2580单片机；

步骤二：电压采样电路采集电压，转化为电压数字信号，上传到PIC18F2580单片机；

步骤三：温度传感器对继电器中的电子元件的温度进行检测，将检测的温度信号转化为温度数字信号，上传到PIC18F2580单片机；

步骤四：PIC18F2580单片机接受电流数字信号，并与预设电流进行比对,若检测电流大于17mA，快速熔断器开始工作，断开输出端；PIC18F2580单片机接受电压数字信号，并与预设电压进行比对，若检测电压大于33V，通过智能开关，R6—C2吸收回路抑制瞬间电压，压敏电阻保护吸收宽脉冲的过电压；PIC18F2580单片机接受温度数字信号，并与预设温度进行比对，若检测温度大于75度，通过智能开关，加快风扇的功率，提高降温效率，若检测温度大于80度，通过输入端开关，断开输入信号；

步骤五：无线通讯模块接收外界的控制信号，并将控制信号上传到单片机，进行远程控制；同时将固态继电器的运行状况的数据通过无线通讯模块发送，进行远程查看。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、自动快速解决过热、过流和过压的问题。系统中的温度监测模块能够自动检测器件的温度，在过热时，及时采取降温措施；自动采集电路的电流和电压，在过流和过压时，能够自动断开继电器，防止继电器损坏，延长继电器的使用寿命，使继电器正常安全工作。

2、散热效果高。本实用新型继电器的壳体使用的材料热传导性很好，可以及时将器件产生的热量散发出去，同时在壳体内设置有散热板，还配置有风扇，可以达到快速散热的目的。

3、可以屏蔽外界的磁干扰。在壳体内壁有防磁层，可以减小外界的磁场对继电器电路的影响。

附图说明

图1是本实用新型一种具有高效保护功能的智能固态继电器的结构示意图。

图中标记：1为壳体，2为防磁层，3为DCB板，4为散热板，5为风扇。

图2是本实用新型中散热板的结构示意图。

图中标记：41为基板，42为肋片。

图3是本实用新型中控制系统的结构示意图。

图4是本实用新型的电路图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型一种具有高效保护功能的智能固态继电器，包括壳体1，所述壳体1内设置有散热装置，散热装置设置于壳体1底板上，散热装置上安装有DCB板3，DCB板3上设有集成电路；所述集成电路包括耦合电路、触发电路、开关电路、吸收电路和过零控制电路；所述壳体1为石墨烯外壳，内设有一防磁层2；所述散热装置包括散热板4和风扇5。

如图2所示，所述散热板4由基板41和肋片42组成，肋片42设置于基板41上，肋片42之间有间隔，肋片42的高度小于肋片42的长度，肋片42与壳体1之间有间隙，可以进行空气流通，基板41上设置有风扇5。

如图3所示，所述控制系统包括检测模块、控制模块和执行模块，所述检测模块，用于检测继电器电路中的电压、电流和元件的温度；所述控制模块，用于接收检测模块的数据，并与预设阈值进行比较，发出执行命令；执行模块，用于接收控制模块发送的执行命令，进行过压、过流和过热保护。

如图4所示，本实用新型一种具有高效保护功能的智能固态继电器， 所述耦合电路由限流电阻R3和光耦合器组成，所述光耦合器为发光二极管D2和三极管Q1的组合，光耦合器将输入与输出电路在电气上隔离开；所述发光二极管D2串联一个LED，用于指示输入端控制信号，同时发光二极管D2上还并联了二极管D1，可防止当输入信号正负极性接反时以保护光耦合器；三极管Q1的集电极串联电阻R2，连接CA3059的引脚9；三极管Q1的发射极连接CA3059的引脚7，同时连接输出端；所述CA3059的输出引脚4，连接双向可控硅VS，同时并联R6—C2吸收电路；所述触发电路和过零控制电路集成于CA3059上。

本实用新型的集成电路的工作原理：在输入电路端加入信号后，光电耦合器内光敏三极管Q1呈导通状态，R3串接电阻对输入信号进行限流，以保证光耦合器不致损坏；LED发光二极管指示输入端控制信号， D1可防止当输入信号正负极性接反时以保护光电耦合器。

电流进入CA3059，从过零检测电路和触发电路通过，再通过开关电路，开关电路是由双向可控硅(TTG)构成的。双向可控硅有T1极、T2极和G极三个引脚；当G极和T2极相对于T1的电压均为正时，T2是阳极，T1是阴极；反之，当G极和T2极相对于T1的电压均为负时，T1变成阳极，T2为阴极；双向可控硅由于正、反向特性曲线具有对称性，所以它可在任何一个方向导通；吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰而设计的，使用“R6-C2”串联电路进行吸收。

本实用新型一种具有高效保护功能的智能固态继电器，所述检测模块包括电流采样电路、电压采样电路和温度传感器；所述控制模块采用的是PIC18F2580单片机；所述执行模块采用智能开关，包括用于过流保护设置于输出端的快速熔断器，用于过压保护并联于输出端的R6—C2吸收回路和设置于快速熔断器之后的压敏电阻，用于过热保护设置于输入端的开关和控制风扇5的执行器。

所述电流采样电路包括GCT–201B电流互感器，其并联电阻，输出测量电流；所述电压采样电路包括霍尔电压传感器CHV-50P，其与被测量电路并联连接，串联电阻，输出电流正比于输入电压。

本实用新型的温度传感器设置于DCB板3上和基板41上，对DCB板3上的器件和基板41的温度进行检测，同时将温度转化为数字信号，上传到单片机进行处理。

本实用新型一种具有高效保护功能的智能固态继电器，所述控制系统还包括设置于DCB板3上的无线通讯模块，连接控制模块，用于发送检测信号和接收远程控制信号，在恶劣的环境中，可以进行远程操作。

本实用新型一种具有高效保护功能的智能固态继电器，还包括基于控制系统的控制方法，其步骤为：

步骤一：电流采样电路将采集到的电流信息转化为电流数字信号，上传到PIC18F2580单片机；

步骤二：电压采样电路采集电压，转化为电压数字信号，上传到PIC18F2580单片机；

步骤三：温度传感器对继电器中的电子元件的温度进行检测，将检测的温度信号转化为温度数字信号，上传到PIC18F2580单片机；

步骤四：PIC18F2580单片机接受电流数字信号，并与预设电流进行比对,若检测电流大于17mA，快速熔断器开始工作，断开输出端；PIC18F2580单片机接受电压数字信号，并与预设电压进行比对，若检测电压大于33V，通过智能开关，R6—C2吸收回路抑制瞬间电压，压敏电阻保护吸收宽脉冲的过电压；PIC18F2580单片机接受温度数字信号，并与预设温度进行比对，若检测温度大于75度，通过智能开关，加快风扇的功率，提高降温效率，若检测温度大于80度，通过输入端开关，断开输入信号；

步骤五：无线通讯模块接收外界的控制信号，并将控制信号上传到单片机，进行远程控制；同时将固态继电器的运行状况的数据通过无线通讯模块发送，进行远程查看。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。