一种直流可控瞬时响应隔离开关的制作方法

本实用新型属于开关控制的技术领域，具体涉及一种直流可控瞬时响应隔离开关。

背景技术：

目前，开关控制领域，常用的主要为光耦、继电器、接触器、负载开关等几个类型。其中光耦开关适用于信号电路，它是以光为媒介来传输电信号的器件，当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电-光-电”转换，以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器，由于它具有开断时间短，可达到微秒级，体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，在数字电路上获得广泛的应用。继电器型开关适用于220V交流电开关电路中，它是一种常见的电子控制器件，它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”，故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用；广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。接触器适用于大功率交直流电路，可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制电路的装置，所以经常运用于电动机作为控制对象﹐也可用作控制工厂设备﹑电热器﹑工作母机和各样电力机组等电力负载，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用；接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制，是自动控制系统中重要的元件之一。负载开关结构简单，具有简单的灭弧装置，能切断额定负荷电流和一定的过载电流，但不能切断短路电流；一般与熔断器一起使用，代替断路器。目前市面上负载开关芯片都是取电于电路主回路，单向控制开断。

但是光耦合器响应时间虽然短，能达微秒级，但是其电流传输能力不强，数量级基本在毫安级，并且只能单向导电，一般输出有压降；继电器是采用硬件接线实现，连线多且复杂，体积大，功耗大，灵活性和可扩展性小，开关时间长，其数量级在十毫秒级，通电流能力可以达几安培，甚至十几安培，但是通常是针对220V交流电应用，对直流电而言，最大也就两三安培，而且耐压不超过30V；接触器的通流能力可以达到几百安培，耐直流电压也可以达到几百伏，但是价格昂贵，体积庞大，通道时间长，数量级达到了十毫秒级别；负载开关虽然结构简单，但是其缺少过热保护，不能关断短路电流，当短路情况时不仅负载、负载开关损坏，并且由于电源过载关断会使整个装置、系统不能正常工作。上述几种开关对应用范围及场合都有所限制，有的不能用于几十伏电压的场合，而有的不适用与上百伏直流电或者电流很低为几安培的情况，而且大都需要驱动功率开关才能运行使用。

因此，传统的几种开关都有较大的局限性，不仅功能单一，而且应用范围有限，成本也高。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决上述问题，提供一种实用性更强的直流可控瞬时响应隔离开关。

为了达到上述实用新型目的，本实用新型采用以下技术方案：

直流可控瞬时响应隔离开关，包括光耦、隔离电源模块和双向控制MOS管，所述光耦输入端设有用来接收电平信号的第一引脚，光耦输入端的第二引脚接地，隔离电源模块与光耦输出端的第四引脚连接为光耦供电；双向控制MOS管包括MOS管1和MOS管2，MOS管1的源极和MOS管2的源极连接，光耦输出端的第三引脚与MOS管1的栅极、MOS管2的栅极连接，MOS管1的漏极、MOS管2的漏极分别与外接电路的两端连接，隔离电源模块通过供电引脚外接直流电源。I/O信号引脚(即第一引脚)用来接收单片机或其他高低电平信号，开关部分由双向导通MOS管组成，双向导通L+，L-接外接电路，通过I/O接收到的电平信号来执行开通或关断的指令，从而达到电路中电压电流隔离的目的。

进一步，所述MOS管1和MOS管2为增强型NMOS管。

进一步，所述隔离开关还包括封装外壳，所述光耦、隔离电源模块和双向控制MOS管设于封装外壳内。

进一步，所述直流电源为3.3V-24V。

更进一步，所述隔离电源模块将外接的直流电源转换为9V电源供给光耦。

进一步，所述单片机或其他高低电平信号为2V以上。

进一步，所述光耦输出端的第三引脚与隔离电源模块的输出地线引脚之间接负载电阻。

本实用新型与现有技术相比，有益效果是：

1.响应速度快，达微秒级，根据要求，可选择相应速度的光耦，可移植性强；

2.能实现双向关断，无反弹；

3.几乎不需要驱动功耗，无漏电流；

4.开关的适用范围涵盖几十伏到几百伏，几安倍到几十安倍的市场产品空缺；

5.开关的体积小，制造及使用成本低；

6.导通电阻小；

7.能灵活配置MOS管来适用不同使用需求；

8.本隔离开关能同时适用于交流或直流电路中。

附图说明

图1是本实用新型的隔离开关结构示意图；

图2是本实用新型的隔离开关工作状态示意图；

图3是本实用新型的隔离开关开通时间波形图；

图4是本实用新型的隔离开关关断时间波形图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步描述说明。

如图1所示，隔离开关主要由一个隔离电源模块、双向控制MOS管、光耦组成。其中，供电引脚通过外接直流电源，通过隔离开关电源模块给光耦供电；I/O信号引脚用来接收单片机或其他高低电平信号，光耦通过电源模块供电，并接收I/O电平信号来进行通断来控制双向导通MOS管开通关断；开关部分由双向导通MOS管组成，双向导通MOS管的两端L+，L-接外接电路，通过I/O接收到的信号来执行开通或关断的指令，从而达到电路中电压电流隔离的目的。

隔离开关的光耦输入端设有用来接收电平信号(I/O信号)的第一引脚，光耦输入端的第二引脚接地，隔离电源模块与光耦输出端的第四引脚连接为光耦供电；双向控制MOS管包括MOS管1和MOS管2，MOS管1的源极和MOS管2的源极连接，光耦输出端的第三引脚与MOS管1的栅极、MOS管2的栅极连接，MOS管1的漏极、MOS管2的漏极分别与外接电路的两端连接。

隔离电源模块具有安全隔离及电压变换的作用，电压变换包括升压变换、降压变换、交直流转换(AC/DC、DC/AC)、极性变换(正负极性转换、单电源与正负电源转换、单电源与多电源转换)。I/O信号引脚、供电引脚相对控制引脚控制的外接电路处，隔离的电压值能达到1kV。

如图2是隔离开关工作示意图。其中隔离开关电源模块由外界直流电源或者其他直流电源模块3.3V～24V电压供电，通过电源模块转换为9V电压输出给光耦供电，9V电压输出适应MOS管驱动电压范围要求。选9V的原因：

1:5V不合适，5V电压输出使MOS管开通时间慢，并且比在9V电压输出MOS管开通内阻要大；

2:7V不合适，7V电压输出的电源模块在市面上比较稀少，很难找到；

3:12V以上不合适，12V电压输出使MOS管关断时间变慢，这样会影响控制性能；

综上所述选用9V电压输出可以控制MOS管开通、关断时间最短，提升隔离开关性能。直流电源模块3.3V～24V电压给电源模块供电，隔离电源模块输出电压9V到光耦，使光耦一端保持高电平9V。I/O信号通过单片机给电平信号或人工手动给电平信号2V以上到隔离开关I/O信号引脚(适用于目前市面上所有的单片机)，光耦通过接收I/O输入电平信号控制光耦通断，光耦导通时双向导通MOS管的栅极为高电平9V，从而控制双向导通MOS管通断。L+，L-引脚接外接电路，并且L+，L-可外接双向正负电压，通过以上电路设计可以实现双向控制。采用了隔离电源模块，使得隔离开关不从主电路回路取电，这在测试系统应用电路中很重要。

隔离开关模块通过控制电路控制隔离电源模块双向导通MOS管导通或关断，无漏电，从而实现控制外部电路开通或关断的功能。本隔离开关的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地，之间的分布电容极小，而绝缘电阻很大，因此回路之间干扰基本没有，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。隔离电源模块给光耦的第四引脚持续供电，I/O电平信号通过外部信号电平拉高拉低来控制光耦开通关断，光耦开关引脚开通关断控制双向导通MOS管Gate引脚(也就是栅极)电平拉高拉低，从而控制双向导通MOS管开通关断。I/O信号引脚和供电引脚外接控制电路来达到控制外接电路的目的。

图3是隔离开关给I/O信号开通时间波形图，图4是关断时间波形图。由图可知当单片机给隔离开关I/O信号时，隔离开关开通和关断响应时间都是微秒级。开通时间只有10个微秒左右，关断时间也只有200个微秒左右，并且开通、关断的时间可以根据使用场所的需要，选择不同的光耦来适应开关速度需求，可以提高到几个微秒，完全实现了瞬时响应的功能。

本隔离开关的具体操作步骤如下：电源电压输入，3.3V～24V直流电压输入供电；给隔离开关I/O接口发送控制信号高电平2V以上，控制隔离开关通断。目前市场上所有的单片机都适配。

本隔离开关能的电压和电流范围可以通过里面光耦和MOS选型来设置，适用的量级区间涵盖几十伏到几百伏，几安倍到几十安倍的市场产品空缺。隔离开关进行开通关断时无延时，无滞后，瞬时响应，实现了开断无反弹。隔离电源模块供电，I/O信号控制光耦开断，光耦控制双向导通MOS管开通关断来实现。直流指输入电源为直流电源，可控指I/O电平信号控制，因此整个隔离开关直流可控。

如无特殊说明，本实用新型的实施例中所采用的元件均为本领域常用的元件。以上为本实用新型的优选实施方式，并不限定本实用新型的保护范围，对于本领域技术人员根据本实用新型的设计思路做出的变形及改进，都应当视为本实用新型的保护范围之内。