专利名称：无触点多能开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无触点电子开关。
现有的无触点电子开关通常不具备过电流或短路保护能力，例如现有的固态继电器(参阅杂志《无线电》1988年第5期第29页)。公开号为CN86102566A的专利申请提出了一种具有一定的过电流保护作用的电子开关电路，但因开关元件只能使用晶闸管，使得在交流电过零前的半个周期内晶闸管不易关断，所以截断过负荷电流的速度不快。
中国专利号为85108045.6的电子开关以较简单的电路结构涉足了限流式电子开关领域，它使得开关的关断速度大为提高。但它不能做成仅有两个引出端的开关，并且无停电自锁功能。中国85105050号专利申请提出了一种采用振荡源触发晶闸管的固态开关，但其振荡器的能量供给取自主开关元件的两端，无自锁功能，也无过载保护功能。
基于上述原因，本发明的目的即在改善上述诸项缺点而提出一种能快速截断短路和过载电流的、有自锁和零起动功能的、低损耗两端型的无触点多能开关。
本发明的目的是这样实现的采用泵电源限流和限压的方式对主开关元件进行控制。具体方法是在开关的主电流回路中串联具有低压降特性的元件，利用负载电流流过该元件所产生的电压降，作为一个振荡电路的能量源;振荡电路的输出电压经过整流滤波处理、并在保护电路的控制下，反馈到主开关元件的控制极对其进行控制。
在开关的主电流回路中，主要开关元件(1)可选用晶体三极管或复合晶体管或场效应管或单向、双向晶闸管，它们都具有控制极G、阳极端D和阴极端S;串联在主回路中的低压降元件(2)可以是电阻、电感、电流互感器、半导体二极管、稳压管或其它类型的晶体管，但以选择正向连接的半导体二极管为最好，二极管可以一只或多只串联，并且最好使其与晶体管(1)的发射极(或源极、阴极)S端串联;整流滤波电路(4)的输出端可以并联一只稳压管(D3)，它以反向击穿的极性连接;在整流滤波电路的输出端H与主回路晶体管(1)的控制极G之间接入保护电路(5)，它有两种连接方式一种是使用一只与主回路晶体管(1)特性互补的晶体三极管(T3)，其发射极接整流滤波电路的输出端H，其集电极接晶体管(1)的控制极(G)，它的基极以使(T3)发射结正向导通的极性串联晶体二极管(D5)和电阻(R3)后，接到晶体管(1)的集电极(或漏极、阳极)D端;另一种接法是使用一只正向跨接在晶体管(1)的控制极G和开关的一个输入端L之间的晶体管(T4)，它可以是晶体三极管或晶闸管，其控制极与稳压管(D6)、电阻(R6)串联后接到晶体管(1)的集电极(或漏极、阳极)D，这只稳压管以反向击穿的极性连接，并可用一只或多只正向连接的发光二极管来代替，或用正向连接的发光二极管与反向连接的稳压管串联来代替;开关电路的主电流回路中也可串联电流传感元件(如电阻、电感、电流互感器、半导体器件等)，使其传感输出端经电子元件(例如二极管)后正向加到晶体管(T4)的控制极。保护电路的以上两种连接方式可以只选用其中一种，也可以两种都同时使用。另外，本开关电路中还可附加光控、声控、温控、有线或无线多敏遥控等电路，以适应各种应用。
由于本开关采用了上述的泵电源式控制方式，使得主开关元件的控制电流或控制电压在一定范围内随着负载电流的增大而增大，但开关电路本身的饱和压降却增加很少，因而功耗可限制在很低的水平，而目前采用晶体管的开关或固态继电器却会随着电流的增加而引起开关管压降的快速增加。另外，由于本开关的这种控制方式脱离了电压较高的被控制源，也由于泵电源对主开关管具有正反馈特性(即负载电流大，泵电源的输出也大，负载电流小，泵电源的输出也小)，同时配合限流反馈式的保护电路，就使得开关的工作可靠性和关断速度都大为提高，因此开关不仅能快速截断过负荷电流，而且能快速截断负载的短路电流，从而使本开关在两端式的开关中实现了既有过载和短路保护功能，又有无触点、长寿命、低损耗、可自锁、零起动、便于自动控制等特点。
下面结合附图
，对本开关电路的组成及原理进行详述。
图一为本开关的基本电路原理图，图二、图三和图四是本开关的另外几种电路实施例。
在图一中，主开关元件(1)采用NPN型大功率晶体管(T1)，低压降元件(2)采用两只晶体二极管(D1)和(D2)串联。当有电流流过主回路时，二极管两端的压降被引入振荡电路(3)[包括晶体管T2、电容C1、C2、变压器B、电阻R1]，振荡电路所产生的高频脉冲电压经变压器(B)送到整流滤波电路(4)[包括二极管D3、电容C3、C4、电阻R2以及稳压管D4]、电路(3)和(4)组成低压高效率直流-直流变换器，整流滤波后的直流电流经过保护电路(5)[包括晶体管T3、二极管D5、电阻R3]后送入晶体管(T1)的基极G。图中的电阻(R5)、电容(C5)、按钮(A1)组成起动电路(6)，(A2)为关断按钮。电路的工作过程是这样当开关与负载(R1)串联后正向接在直流电路中时，由于E点的电位比H点高，所以二极管(D5)和三极管(T3)截止，主开关管(T1)也截止，电源通过负载和(R4)向电容(C4)、(C3)充电，最终使稳压管(D4)击穿而使(C4)的两端电压得到稳定。当按动按钮(A1)时，经电容(C5)给晶体管(T3)的基极以冲击电流，使晶体管(T3)导通，于是主开关管(T1)因得到较大基极电流而饱和导通。(T1)饱和后，E、L间的压降迅速下降，而电流在二极管(D1)和(D2)两端所产生的约1到2伏的压降便维持了振荡电路(3)的连续振荡，其输出电压经变压器(B)耦合到整流滤波电路(4)以维持H点相对于E点的高电位，这样便使晶体管(T3)和(T1)继续维持导通。如果电路发生短路或过负荷故障，则开关的两输入端E和L间的压降增大，H点相对于E点的正电位差减小，晶体管(T3)的基极电流便减小，其集电极电流也减小，(T1)进一步退出饱和，E和L间的压降于是更大，这种强烈的正反馈循环使得(T3)和(T1)迅速截止，电路便被瞬间关断而得到可靠保护。(T1)关断后振荡电路便同时停振。图中电阻(R5)是(C5)的泄放电阻，以利下次起动。(C5)的作用，一方面为晶体管(T3)提供起动电流，同时也不致于因为电路的过负荷还未切除就起动而损坏主开关管(T1)。该电路的负荷能力主要取决于主开关元件(T1)的承载能力，也与振荡电路所能提供的基极电流有关。本开关电路的主要元件选择方法和选择实例如下(T1)的选择，主要考虑其截止时D、S极间最大耐压应至少是开关最高工作峰值电压的1.5倍，最大集电极电流应大于开关额定电流，并且电流放大倍数越大越好，本例选用20安、200伏的大电流大功率管MJ13330;(D1)、(D2)的选用只需考虑正向允许电流即可，无需考虑反向耐压，本例选用正向电流不小于10安的任一种硅二极管;振荡电路(3)采用单管间歇脉冲振荡器，由于本电路要求变换器最大能提供Im/β的平均电流(式中Im为开关的额定电流，β为开关管在接近饱和时的电流放大系数)，所以(T2)应选用低饱和压降的大电流、高β型晶体管，本例选晶体管D965，其Icm＝5A，β＞300，(C2)为限峰电容，可在1000PF-0.47μF间选取，本例选用0.1μF;反馈电阻(R1)可在50Ω-2KΩ间选取，本例取220Ω;变压器(B)可选小型铁芯或磁芯，本例选用横截面为50mm2，平均磁路长30mm的高导磁率锰锌铁氧体磁芯，N1和N2的匝数比可在1∶2到1∶6间选取，主要应考虑晶体管(T1)的基极电流的最大限制值，本例取N1为8匝，N1∶N2＝1∶3;整流方式一般用半液式即可，(D3)可选正向电流大于200mA的锗或硅二极管，本例用二极管1N4001;(D4)是限制(T1)管偏流的稳压管，这里选3V稳压管;(R2)为滤波和限流电阻，其值与所选用的晶体管(T1)及开关的最大工作电流有关，范围可在0-10KΩ内选定，当(T1)用三极管时，可在几十欧以内选择，当(T1)选用复合管或场效应管时，(R2)可在几十欧以上选取，本例选10Ω电阻;(C1)、(C2)、(C3)均为滤波电解电容，R2选择越小，其电容量取值越大，本例均选择200μF;(T3)选用与晶体管(T1)极性互补的三极管即可，本例选用三极管9012;(D5)应选用反向击穿电压至少二倍于开关最高工作电压峰值的硅二极管，本例选用二极管1N4004;(R3)的选择范围很大，但要求能够保证当开关流过额定电流时晶体管(T3)仍然能够导通，本例选取3KΩ;(R4)的选取与被控制的电源电压有关，这里用50KΩ;(R5)选1MΩ，(C5)用0.1μF。采用上述元件的本开关实测结果如下电压适应范围为直流3-100V，电流适应范围为0.01-10A，当负载电流大于10A或负载短路时，开关立即可靠关断。
图二是本开关用作交流开关的另一实施电路原理图。
这一电路使用场效应管做开关元件，并且保护电路采用栅压控制型。电路的工作过程是这样接通电源后，因场效应管(T1)无栅压而截止，因此开关处于关断状态;起动按钮(A1)后，电源通过(R4)对电容(C3)充电，并使其两端电压达到(D4)的击穿电压值。如果此时交流电压未过零点，则经整流桥(7)整流后加到E、L两端的脉动直流电压因大于稳压管(D6)和发光二极管(D7)的串联击穿电压而使之击穿，导致晶体管(T4)饱和，则场效应管(T1)的栅压接近零伏，开关仍处于关断状态;当交流电接近过零时，因(D6)、(D7)不能被击穿，使(T4)截止，(C3)上的电压便通过电阻(R2)加到(T1)管的栅极，使其导通;导通电流流过二极管(D1)，给振荡电路(3)提供了振荡能量，振荡电压通过整流滤波电路(4)后加到(T1)的栅极使其自锁，维持E和L间很低的饱和压降，此后晶体管(T4)将始终保持截止。如果电路发生过负荷或短路，则E、L间的压降将超过(D6)和(D7)的串联击穿电压值，(T4)便因得到基极电流而导通，这将引起(T1)的栅压降低，使(T1)管退出饱和，E和L间的电压因此又进一步升高，如此强烈的正反馈，使得(T1)迅速截止，便可靠地关断了过负荷电流，此时所引起的瞬间高电压被压敏电阻(R7)和阻容吸收回路(R8)、(C6)所吸收。在开关导通时，按动按钮(A2)可使开关关断。
上述开关的部分元件参数选择实例如下场效应管(T1)选择5A1KV的BUZ357，(D1)用正向电流不小于5安的一般硅二极管，反向耐压无要求;(T4)选用晶体管9014;(D7)选用发光二极管，(D6)选用8伏稳压管，(R6)用75KΩ电阻;(D4)的选择，应考虑(T1)的最大额定电流，本例用9伏稳压管;(R2)用4.7KΩ电阻;(R4)用100KΩ电阻;整流桥(7)选用6A1KV的全桥;(R7)选600伏压敏电阻;(R8)用51Ω，(C6)取0.1μF;(C3)用10μF。由于使用场效应管，要求振荡电路(3)输出电流较小、电压较大，所以晶体管(T2)用一般的高β管，变压器(B)的变比也应当高，本例的(T2)用三极管9014，变比N1∶N2＝1∶6。本例开关可用于电压范围在10-400伏、电流在0.01-5安的交流电路中。
图三为本开关电路在一种交、直流通用型无触点多功能开关中的应用实施例。图中主要开关元件使用达林顿晶体管，且保护电路中同时使用了晶体管(T3)和(T4)，而且晶体管(T4)的基极中串联的稳压管使用两只发光二极管正向串联来代替，这样一方面每只发光二极管有约1.5V的击穿特性，另一方面当开关断时，发光二极管便发光，同时起到关断指示的作用。当发生过负荷或负荷短路故障的时候，由于晶体管(T3)的立即关断和晶体管(T4)的立即导通几乎是同时发生，因此开关的关断速度极快。这个电路的工作原理如上两例所述，只是在用于交流电路的时候，由于交流电压过零点时(T3)导通、(T4)关断，使得开关在正常负载状况下能够自然接通，不用起动;而当使用在无过零的直流电路中时，就需要按动按钮(A1)才能起动开关。
图四为应用本开关原理的一种具有短路和过载保护功能、同时具有光、声控和延时关断功能的防爆照明开关电路原理图。图中晶体管(T4)选用单向晶闸管。电路的工作原理是这样的当有光照的时候(例如白天)，光敏电阻(R13)的阻值很小，所以晶体管(T7)饱和，使晶体管(T6)截止，于是晶体管(T5)饱和，使主开关管(T1)因无基流而处于关断状态;无光照时(例如晚上)，光敏电阻(R13)的阻值增大，晶体管(T7)进入放大区，但由于稳压管(D8)的作用，晶体管(T6)仍然处于截止状态，(T5)也仍处在饱和状态，开关仍然不通;如果此时压电陶瓷片Y接受到振动或者声音，它将因为压电效应而产生相应的电信号，这一信号的负半周经(T7)放大并倒相，使(T7)的集电极电位升高，如果振幅足够大，使(D8)击穿、则(T6)将饱和、(T5)便截止，由于电容(C7)的延迟作用，使开关有机会在交流电过零时起动导通。开关导通后，E、L间压降约只有1至2伏，这电压经电阻(R9)向(C7)充电，经一段延时后，当(C7)两端电压上升到约0.7伏时，(T5)又转为导通，截断(T1)的基极电流，开关便又恢复到关断状态。
在本开关的上述诸种实施例中，晶体管(1)既可使用三极管、复合管，又可使用场效应管，只是要相应地调整振荡变压器(B)的磁芯截面或匝数比，调整整流滤波电路的电阻(R2)和(D4)的稳压值，以及保护电路起控值。晶体管(1)也可用晶闸管，但因其必须交流过零才能关断，因此关断速度较慢，且过载能力较以上诸例差。振荡电路(3)也可用其它类型的，但要求效率高、起振容易。
权利要求
1.一种无触点多能开关，主要由晶体管(1)[包括复合晶体管、场效应管、晶闸管]、低压降元件(2)[包括电阻、电感、电流互感器或晶体管元件]、振荡电路(3)、整流滤波电路(4)、保护电路(5)、起动电路(6)等构成，其中晶体管(1)的集电极或发射极串联低压降元件(2)后再与开关电路的两输入电极E和L正向连接，构成主电流回路；整流滤波电路(4)的输出电压以使晶体管(1)的发射结正向导通的极性加到晶体管(1)的发射结；本发明的特征在于低压降元件(2)两端的压降作为振荡电路(3)的电源，振荡电路(3)的输出电压通过整流滤波电路(4)、并在保护电路(5)的控制下作为晶体管(1)控制极的电源。
2.按权利要求1所述的开关，其特征在于低压降元件(2)使用晶体二极管，它正向串联在晶体管(1)的发射极与开关的一个输入端L之间。
3.按权利要求1所述的开关，其特征在于稳压管(D3)以反向击穿的极性并联在整流滤波电路(4)的输出端。
4.按权利要求1所述的开关，其特征在于在保护电路(5)中使用一只与晶体管(1)互补的晶体管(T3)，它的发射极与整流滤波电路(4)的输出端相接，它的集电极与晶体管(1)的基极相接，它的基极以使其发射结正向导通的极性串联晶体二极管(D4)及电阻(R3)后，接到晶体管(1)的集电极。
5.按权利要求1所述的开关，其特征在于在保护电路(5)中使用晶体管(T4)，它的发射极与开关输入端L相接，集电极与晶体管(1)的基极G相接，它的基极以反向击穿的极性串联稳压管(D5)、并串联电阻(R6)后，接到晶体管(1)的集电极。
6.按权利要求5所述的开关，其特征在于晶体管(T4)使用晶闸管，它的阴极与开关的输入端L相接，阳极与晶体管(1)的基极G相接，它的控制极以反向击穿的极性串联稳压管(D5)、并串联电阻(R6)后，接到晶体管(1)的集电极。
7.按权利要求或5或6所述的开关，其特征在于串联在晶体管(T4)控制极的稳压管(D5)用发光二极管，它以正向导通的极性连接。
8.按权利要求1至6所述的开关，其特征在于在主电流回路中串联电流传感元件，其传感输出电压通过电子元件正向加到保护电路(5)中晶体管(T4)的控制极与开关输入端L之间。
9.按权利要求1至6所述的开关，其特征在于在开关电路中加装声控、光控、温控或有线及无线多敏遥控电路。
全文摘要
一种无触点多能开关，采用泵电源限流或限压控制方式，实现了大功率无触点开关的低功耗、二端化，并具有短路和过载快速保护功能以及自锁和零起动功能，也便于实现自动控制。本开关结构简单，波形无失真，可直接取代各种两端式的电源开关，用于有防火防爆要求的场所尤佳，并可用于各类固态继电控制、多敏控制和遥控中。
文档编号H03K17/08GK1063385SQ91100448
公开日1992年8月5日 申请日期1991年1月19日 优先权日1991年1月19日
发明者戴开煌 申请人:戴开煌