一种具有过热保护及告警输出功能的固态继电器的制作方法

本发明属于工业控制领域，涉及一种具有过热保护及告警输出功能的固态继电器。

背景技术：

固态继电器采用可控硅作为开关器件，由于没有机械动作部件，具有开关动作速度快、开关过程中没有拉弧和打火、没有机械动作寿命限制等优点。因此在工业控制中需要频繁切换电路的场合，尤其是在电加热控制中得到了非常广泛的应用。

热击穿：当固态继电器工作温度超过其极限使用温度时，因固态继电器内可控硅的固有特性，即使固态继电器控制端没有施加控制电压，固态继电器仍然会一直导通失控的故障现象。固态继电器的热击穿并非永久性的损坏，当固态继电器的工作温度重新下降到正常工作范围内时，固态继电器又会恢复正常。在固态继电器的实际使用过程中如果出现持续性过载、散热风扇损坏、散热器散热不良等异常状况时，都有可能导致固态继电器温度上升而出现热击穿故障。

在固态继电器的很多应用场合（如石化行业的反应釜温度控制、食品行业的锅炉温度控制、养殖行业的孵化箱温度控制等），要求固态继电器参与控制的控制对象温度在一定范围类内稳定，不能出现温度越限的情况。使用过程中如果固态继电器因外部异常而出现温度上升而出现热击穿故障时，就会造成控制对象温度不可控制的持续升高，如不增加额外的检测和保护手段，就可能发生安全事故或造成严重经济损失。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有超温保护及告警输出功能的固态继电器。该新型固态继电器能有效避免传统固态继电器存在的热击穿失控问题。同时当固态继电器发生过热保护的时候，会同步输一个过热保护告警信号给外部系统，以便及时排查导致固态本体过热的异常状况，避免故障的进一步扩大。

为实现上述发明目的，该固态继电器的技术方案包括：

一个可控硅驱动电路，用于将控制信号输入端输入的控制信号通过分压、放大、隔离后，实现对可控硅接通、关断的控制。

一个温度测量电路，用于将固态继电器内可控硅的温度信号转换为与之成比例变化的电压信号。

一个电压基准电路，用于为比较器电路提供稳定且精确的电压基准信号。

一个电压比较电路，实现超温保护的判断与控制输出。

一个控制信号切除电路，用于在超温保护的时候，将控制信号输入端分压后的控制信号切除，从而禁止可控硅继续导通。

一个超温告警信号输出电路，用于在超温保护的时候输出一个无源的开关告警信号。

一个可控硅输出电路，用于切换外部负载电路。

本发明其特征在于，包括可控硅驱动电路、温度测量电路、电压基准电路、电压比较电路、控制信号切除电路、超温告警信号输出电路和可控硅输出电路，所述可控硅驱动电路、温度测量电路、电压基准电路、电压比较电路、控制信号切除电路、超温告警信号输出电路和可控硅输出电路依次通过导线进行连接。

优选的，所述电压比较电路以温度测量电路和电压基准电路为输入条件，输出分别控制控制信号切除电路和超温告警信号输出电路。

优选的，所述电压比较电路与电压比较器U1的1脚和电阻R5、R6的一端连接。

优选的，所述电压比较器U1的3脚分别与热敏电阻NTC的一端、可调电阻RV1的一端连接。

优选的，所述电压比较器U1的4脚分别与电阻R8的一端、精密电压基准U2的阴极连接。

其中，所述可控硅驱动电路由：电阻R2、R3、R10、R11、R12，电容C1，稳压二极管D1，指示灯LED,三极管Q1,光耦U3组成。电阻R2一端作为控制信号输入，另一端分别与电阻R3的一端、稳压二极管D1的阴极连接。稳压二极管D1的阳极分别与Q1的集电极、电阻R10 的一端、电容C1的一端、三极管Q3的基极连接。三极管Q3的集电极分别与电阻R11、R12的一端连接，指示灯LED的阴极与电阻R11的一端连接。光耦U3的1脚接5V电源，2脚与电阻R12的一端连接；

其中，所述温度测量电路由：热敏电阻NTC、可调电阻RV1、电阻R9组成。其中热敏电阻NTC的一端分别与比较器U1的3脚、可调电阻RV1的一端连接，可调电阻RV1的一端与电阻R9的一端连接。所述的电压基准电路由：电阻R8、精密电压基准U2组成。电阻R8的一端分别与比较器U1的4脚，精密电压基准U2的阴极连接；

其中，所述电压基准电路由：电阻R8、精密电压基准U2组成。电阻R8的一端分别与比较器U1的4脚，精密电压基准U2的阴极连接；

其中，所述电压比较电路由：电压比较器U1组成。电压比较器U1的1脚分别与电阻R5、R6的一端连接。电压比较器U1的3脚分别与热敏电阻NTC的一端、可调电阻RV1的一端连接。电压比较器U1的4脚分别与电阻R8的一端、精密电压基准U2的阴极连接；

其中，所述控制信号切除电路由：三极管Q1、电阻R4、R6组成。电阻R6的一端与电压比较器U1的1脚连接，另一端与三极管Q1的基极、电阻R4的一端连接。三极管Q1的集电极分别与稳压二极管D1的阳极、电阻R10的一端、电容C1的一端、三极管Q3的基极连接；

其中，所述超温告警信号输出电路由：三极管Q2、电阻R7、R5组成。三极管Q2的集电极与超温告警信号的输出端连接。三极管Q2的基极分别与电阻R7、R5的一端连接；

其中，所述可控硅输出电路由：双向可控硅Q4、电阻R13、R14构成。双向可控硅Q4的A1端分别与电阻R13的一端、输出端A连接。双向可控硅的A2端分别与电阻R14的一端、输出端B连接。双向可控硅的G端分别与电阻R14的一端、光耦U3的3脚连接。电阻R13的一端与光耦U3的4脚连接。

本发明具有以下有益效果：

（1）增加了超温保护电路，通过一个和可控硅紧密贴合的NTC热敏电阻，超温保护电路能在可控硅出现热击穿失控前将可控硅强行关闭，有效解决了传统固态存在的热击穿失控隐患的弊端；

（2）增加了超温告警信号输出电路，在固态继电器进入超温保护状态时，同步输出告警信号给外部系统，可有效缩短异常处理时间，避免故障范围的扩大；

（3）电路简单、成本低廉、易于实现。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述发明。

参照图1，图1说明本发明的系统连接关系：

可控硅驱动电路（1）、温度测量电路（2）、电压基准电路（3）、电压比较电路（4）、控制信号切除电路（5）、超温告警信号输出电路（6）和可控硅输出电路（7），所述可控硅驱动电路（1）、温度测量电路（2）、电压基准电路（3）、电压比较电路（4）、控制信号切除电路（5）、超温告警信号输出电路（6）和可控硅输出电路（7）依次通过导线进行连接。

其中，所述电压比较电路（4）以温度测量电路（2）和电压基准电路（3）为输入条件，输出分别控制控制信号切除电路（5）和超温告警信号输出电路（6）。

其中，所述电压比较电路（4）与电压比较器U1的1脚和电阻R5、R6的一端连接。

其中，所述电压比较器U1的3脚分别与热敏电阻NTC的一端、可调电阻RV1的一端连接。

其中，所述电压比较器U1的4脚分别与电阻R8的一端、精密电压基准U2的阴极连接。

本具体实施参照图2，图2说明本发明的电路连接关系、工作原理是：

1.可控硅驱动电路连接关系、工作原理：可控硅驱动电路由电阻R2、R3、R10、R11、R12，电容C1，稳压二极管D1，指示灯LED,三极管Q1,光耦U3组成。

（1）电阻R2一端作为控制信号输入，另一端分别与电阻R3的一端、稳压二极管D1的阴极连接。稳压二极管D1的阳极分别与Q1的集电极、电阻R10 的一端、电容C1的一端、三极管Q3的基极连接。三极管Q3的集电极分别与电阻R11、R12的一端连接，指示灯LED的阴极与电阻R11的一端连接。光耦U3的1脚接5V电源，2脚与电阻R12的一端连接。

（2）外部控制信号经R2电阻的一端输入。

（3）当输入控制电压低于2V时，经R2、R3分压后的电压不足以令稳压二极管D1反向击穿，此时三极管Q3处于截止状态，指示灯LED和光耦U3的初级没有电流流过，光耦U3的次极和双向可控硅Q3处于截止状态。

（4）当输入控制电压高于5V时，经R2、R3分压后的电压将稳压二极管D1反向击穿，此时三极管Q3处于饱和导通状态，指示灯LED和光耦U3的初级流过额定电流，指示灯LED点亮，光耦U3的次极导通，双向可控硅Q3处于导通状态。

（5）电阻R10的作用是为了避免稳压二极管D1未返向击穿时的漏电流导致Q3误动作。电容C1的作用是滤除输入电路杂波。

2.温度测量电路连接关系、工作原理：温度测量电路由热敏电阻NTC、可调电阻RV1、电阻R9组成。

（1）热敏电阻NTC的一端分别与比较器U1的3脚、可调电阻RV1的一端连接，可调电阻RV1的一端与电阻R9的一端连接。

（2）热敏电阻NTC为负温度系数的热敏电阻，安装时紧贴可控硅的散热片。当可控硅的温度上升时，热敏电阻NTC电阻变小，由于可调电阻RV1和电阻R9电阻不变，热敏电阻NTC与可调电阻RV1连接点的电压将随之降低。反之当可控硅的温度下降时，热敏电阻NTC电阻变大，由于可调电阻RV1和电阻R9电阻不变，热敏电阻NTC与可调电阻RV1连接点的电压将随之升高。

（3）可调电阻RV1用于调整电路元件误差，使固态继电器的超温保护温度阀值都在同一范围内。

3.电压基准电路连接关系、工作原理：电压基准电路由电阻R8、精密电压基准U2组成。

（1）电阻R8的一端分别与比较器U1的4脚，精密电压基准U2的阴极连接。

（2）U2为高精度、低温漂的电压基准，电阻R8为其提供电压并限制其工作电流，在U2负极会产生一个非常稳定的基准电压，并提供给电压比较器电路作为其电压基准。

4.电压比较电路连接关系、工作原理：电压比较电路由电压比较器U1组成。

（1）电压比较器U1的1脚分别与电阻R5、R6的一端连接。电压比较器U1的3脚分别与热敏电阻NTC的一端、可调电阻RV1的一端连接。电压比较器U1的4脚分别与电阻R8的一端、精密电压基准U2的阴极连接。

（2）电压比较器U1的负向输入端4脚分别接电压基准U2的负极和电阻R8的一端，该脚电压恒等于基准电压，不受外部电压和温度波动的影响。

（3）电压比较器U1的正向输入端3脚分别接热敏电阻NTC一端、可调电阻RV1一端，该脚电压与可控硅散热片温度成正比例变化。

（4）正常情况下电压比较器U1第3脚的电压低于电压比较器U1第4脚电压，此时电压比较器第1脚输出为低电平。

（5）当可控硅温度不断上升时，由于电压比较器U1第4脚电压恒定不变，当电压比较器U1第3脚电压上升至高于电压比较器U1第4脚电压的时候，电压比较器第1脚输出为高电平。

5.控制信号切除电路连接关系、工作原理：控制信号切除电路由三极管Q1、电阻R4、R6组成。

（1）电阻R6的一端与电压比较器U1第1脚连接、另一端分别与电阻R4的一端和三极管Q1的基极连接。三极管Q1的集电极分别与稳压二极管D1的阳极、电阻R10的一端、电容C1的一端、三极管Q3的基极连接。

（2）正常情况下与电阻R6连接的电压比较器U1第1脚输出低电平，三极管Q1处于截止状态，三极管Q3、光耦U3、双向可控硅Q4的工作状态完全受控于外部输入控制信号。

（3）发生超温保护的情况下与电阻R6连接的电压比较器U1第1脚输出高电平，三极管Q1处于饱和导通状态，经稳压二极管D1输入的控制信号被Q1短路到地，三极管Q3、光耦U3、双向可控硅Q4处于截止关闭状态。外部输入的控制信号被切除。

6.超温告警信号输出电路连接关系、工作原理：超温告警信号输出电路由三极管Q2、电阻R7、R5组成。

（1）电阻R5的一端与电压比较器U1第1脚连接、另一端分别与电阻R7的一端和三极管Q2的基极连接。

（2）正常情况下与电阻R5连接的电压比较器U1第1脚输出低电平，三极管Q2处于截止状态。

（3）发生超温保护的情况下与电阻R5连接的电压比较器U1第1脚输出高电平，三极管Q2处于饱和导通状态，向外部输出超温告警信号。

7.可控硅输出电路连接关系、工作原理：可控硅输出电路由双向可控硅Q4、电阻R13、R14构成。

（1）双向可控硅Q4的A1端分别与电阻R13的一端、输出端A连接。双向可控硅的A2端分别与电阻R14的一端、输出端B连接。双向可控硅的G端分别与电阻R14的一端、光耦U3的3脚连接。电阻R13的一端与光耦U3的4脚连接。

（2）电阻R13为双向可控硅Q4的G极限流电阻，当输入控制电压高于5V且未发生超温保护时，光耦U3的3脚和4脚导通，双向可控硅Q4处于导通状态。当输入控制电压低于2V或发生超温保护时，光耦U3的3脚和4脚为关闭状态，双向可控硅Q4处于关闭状态。

（3）电阻R14是为提高双向可控硅Q4的抗干扰能力，避免误触发

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例的说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。