专利名称：由低损耗交流电子开关电路构成的单相交流接触器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种可广泛用于低压电器制造行业，特别适合用来制造各种规 格的固态交流继电器、固态交流接触器、固态交流控制模块、自复式电子保险器、无火花电 磁式交流接触器的由低损耗交流电子开关电路构成的单相交流接触器，属电子产品制造领 域。
背景技术：
目前，市场上销售的固态交流电子开关的电路通常通过两种技术方案实现一种 是直接采用双向可控硅来控制交流电流的通断，另一种则是由桥式整流电路(俗称桥堆) 和各种单向的直流电子开关管，诸如晶体三极管、场效应管、单向可控硅等等构成，原理是 先将交流电流整流成直流电流，然后再对其直流电流进行通断控制，从而间接达到控制交 流电流通断目的。其不足之处无论采用上述哪种技术方案，都存在一个共同的缺点，就是 当交流电子开关处于导通状态时，由于单个硅材料PN结0. 7V左右压降的存在，总要导致整 个交流电子开关，至少存在IV到1. 5V左右的电压降。这个压降虽然很小，但是在控制大功 率负载，大电流状况下却是致命的。设想一下如果要控制数百，乃至数千安培的交流电流， 导通压降损耗的电能将会达到数百瓦特乃至数千瓦特。这样大的电能损耗，不仅造成极大 的电能浪费，而且还会导致器件发热，于是不得不给可控硅，整流桥堆加装体积庞大的散热 器，或者提供良好的通风设备，这就大大限制了交流电子开关的应用场合和范围。因此硅材 料PN结0. 7V左右的压降，确实已经成为限制固态大功率交流电子开关、交流控制模块推广 应用的最大的技术瓶颈。电磁式交流接触器的最大弊病是触点火花，触点火花不仅会大大削减交流接触器 的使用寿命，而且还产生较强的电磁干扰造成电磁污染。因此无法适用于自动化控制要求 较高的场合。
发明内容设计目的避免背景技术中的不足之处，设计一种一是不受硅材料PN结固有的 0. 7V压降技术瓶颈制约的，全新结构的固态交流电子开关电路；二是对于电磁式交流接触 器，改变现有的控制回路电路，使得电磁式交流接触器的触点，在交流电流过零时接通，交 流电流过零时断开。设计方案为了实现上述设计目的。1、对于N沟道型VM0S功率场效应管来说，当 D极(漏极)接正，S极(源极)接负时，为正常工作电压，内部寄生二极管反偏，因此当G 极(栅极)栅压为0时，VM0S功率场效应管呈关闭状态，只有当G极(栅极)输入正栅压 时，VM0S功率场效应管才处于导通状态。但是VM0S功率场效应管的特性，不同于晶体管， 晶体管是不能在反向电压下工作的，而VM0S功率场效应管可以在反向电压状态下工作，即 D极(漏极)接负，S极(源极)接正，这时内部的寄生二极管正偏，既处于导通状态，因此 无论G极(栅极)是否有正电压信号输入，管子还是导通的，只不过，没有栅压时，电流通过
3内部寄生二极管，并且产生0. 7V压降，当有栅压时，电流通过N沟道电阻，由于N沟道电阻 阻值很小，当电流通过N沟道电阻时，如果产生的压降小于PN结固有的0. 7V压降时，那么 认为，电流已经完全的通过N沟道电阻了。2、参见附图1，在交流回路中，串联着两个按相反 工作方向联接的VM0S功率场效应管VI，V2，(为方便起见，仅以N沟道型场效应VM0S管为 例)。两个VM0S功率场效应管的栅极正信号电压，由E提供，并通过K控制。当K断开时， 两个VM0S功率场效应管的栅极电压为零，因此N沟道电阻都呈开路状态，当交流电流相线 为正，零线为负的时候，虽然V2内部的寄生二极管正向导通，但是交流电流因为受VI的阻 断，所以还是呈断路状态。反之当交流电流相线为负，零线为正的时候，虽然VI内部的寄生 二极管正向导通，但是交流电流因为受V2的阻断，所以仍然呈显断路状态。当K闭合时，此 时两个VM0S功率场效应管的栅极电压为正偏，因此N沟道电阻都呈低阻导通状态，因此无 论交流的相线零线正负如何变化，交流电流的两个方向电流都能够顺利通过两个VM0S功 率场效应管，于是整个交流回路呈开路状态。也就是说，交流回路的通断受栅极信号电压控 制，当两个VM0S功率场效应管的栅极电压同时为正偏时，交流回路开路，当两个VM0S功率 场效应管的栅极电压同时为零偏时，交流回路断路。技术方案由低损耗交流电子开关电路构成的单相交流接触器，单片机至少有三 个输入端口分别用于连接由电流互感器构成的交流电流过零检测电路，由电源变压器构成 的交流电压过零检测电路，由电阻、光偶器构成的控制信号输入电路，单片机至少有一个输 出端用于连接两个直流电磁继电器。本实用新型与背景技术相比，只要被控制的交流电流足够小，或者N沟道电阻足 够小，那么通态压降可以作到远小于0. 7V以下，可以使得开关损耗降到最低限度，这是目 前现有任何固态交流电子开关都无可比拟的最大优点。
图1和图2是低损耗交流电子开关电路第一种实施例的示意图。图3是无火花电磁式单相交流接触器的程序流程示意图。图4是无火花电磁式单相交流接触器的流程示意图。
具体实施方式
实施例1 参照附图1和图2。由低损耗交流电子开关电路构成的单相交流接触器， 单片机至少有三个输入端口分别用于连接由电流互感器构成的交流电流过零检测电路，由 电源变压器构成的交流电压过零检测电路，由电阻、光偶器构成的控制信号输入电路，单片 机至少有一个输出端用于连接两个VM0S功率场效应管VI和V2的栅极；变压器T、二极管 D1和D2、电阻R4和R6、稳压二极管Z2、和电容E构成工作电源电路，T次线线圈分别接D1 和D2的正极，D1和D2负极分别接R4 —端和R6的一端，R6的另一端接Z2的负极及E的 正极，Z2的正极接E负极及接地；电源变压器初级线圈并联连接在交流接触器的输入端子， 速饱和电流互感器L的原边与两个VM0S功率场效应管的漏极和源极共同串联在交流主控 回路的输入与输出端子之间。从附图1中，可以看到本实用新型的低损耗单相固态交流接 触器主要由两个VM0S功率场效应管VI和V2，单片机C，速饱和电流互感器L，电源变压器 T，输入隔离光偶器G，5大部件构成的，其中A1和A2分别代表A相交流接触器的输入和输出端子，G1和G2分别为零线输入、输出端子，变压器T、二极管Dl、D2、电阻R6、稳压管Z2、 电解电容器E构成单片机C的直流工作电源。单片机P1. 2端口，为输出端口，主要为两个 VM0S功率场效应管VI和V2提供直流开关驱动信号。单片机的P3. 1、P3. 2、P3. 3均为单 片机C的输入端口，其中P3. 1端口用于检测交流回路的电流过零信号，电流过零信号的采 样，主要靠速饱和电流互感器L完成，交流电流通过速饱和电流互感器L时，当电流过零时， 会在次级感应出正负尖脉冲电压，经Rl、R2、Z1、限流、限压后，可直接输入单片机检测。由 V3、R4、R5构成交流电压过零采样电路，(有的单片机，内部备有比较放大输入端口，V3即 可省略)经P3. 2端口输入，提供单片机交流电压过零信号。S1、S2分别为固态交流接触器 的控制输入端子，直流控制信号通过R7、经光偶器隔离输入后，通过P3. 3端口，输入到单片 机。其工作原理程序开始时，S1、S2无直流信号输入时，光偶器3脚与4脚不导通，单片机 C P3. 3输入高电平，此时单片机C P1.2输出低电压，V1、V2处于关断状态，单片机C作无限 循环检测P3. 3端口电压动作，当S1、S2有信号输入时，光偶器3脚与4脚导通，当单片机C 检测到P3. 3端口，由高电位变成低电位时，程序跳变到下一步，此时单片机C作无限循环检 测P3. 2端口电压动作，由于只有当交流电压过零时，P3. 2端口电压才会有高电平输入，当 单片机C检测到P3. 2端口，由低电位变成高电位时，程序才会跳变到下一步，此时单片机C 先指令P1. 2端口输出高电平，于是VI和V2导通，交流回路呈接通状态，此时单片机C再作 无限循环检测P3. 3端口电压的动作，由于当前P3. 3端口仍处在低电平状态，只有当S1、S2 无信号输入时，P3. 3端口才会从低电平转变为高电平，只有当单片机C检测到P3. 3端口， 由低电位变成高电位时，程序跳变到下一步，此时单片机C作无限循环检测P3. 1端口电压 的动作，由于P3. 1端口电压，只有当交流电流过零时，才有高电平输入，单片机C只有当检 测到P3. 1端口，由低电位变成高电位时，程序跳变到下一步，此时单片机C先指令P1. 2端 口输出低电平，于是VI、V2关闭，交流回路呈断路状态，此时程序返回到开头，单片机C再 作无限循环检测P3. 3端口电压的动作，以此类推，周而复始。为了便于分析，附图2绘出了 的是单片机工作程序流程图。低损耗单相固态交流接触器的技术特征主要由两个VM0S功 率场效应管VI和V2，一片单片机C，一个速饱和电流互感器L，一个电源变压器T，一个光偶 器G，5大元件构成，单片机至少有三个输入端口 P3. 1、P3. 2、P3. 3分别用于连接由电流互 感器L、Rl、R2、Z1构成的交流电流过零检测电路；由电源变压器T、Dl、D2、R4、R5、V3构成 的交流电压过零检测电路；由R7、光偶器G构成的控制信号输入电路，单片机至少有一个输 出端P1. 2用于连接两个VM0S功率场效应管VI、V2的G极(栅极)，特征在于由变压器T、 Dl、D2、R6、Z2、E构成工作电源电路，电源变压器初级线圈并联连接在交流接触器的输入端 子，速饱和电流互感器L的原边与两个VM0S功率场效应管的D极(漏极)S极(源极)共 同串联在交流主控回路的输入与输出端子之间。 实施例2 参照附图3 4。在实施例1的基础上，参照上面用单片机进行过零开 启，过零关闭控制的工作原理，在某些场合为了降低交流电子开关的制造成本，有时也可以 用一个直流电磁式继电器来替换固态电路中的两个VM0S功率场效应管VI和V2。参见附 图3，虽然电磁式继电器存在开关速度慢且遗留了机械触点的固有弊端，但是在一般场合， 由于它导通压降小，耐过载能力强，还是有它适用之地的，不过传统的硬性直接驱动法，由 于存在触点打火的缺点，常常导致触点提前损坏，而采用单片机进行过零开启，过零关闭控 制后，就可以大大延长触寿命点。通过这项技术改造的交流接触器，也可以称为无火花交流接触器。但是要直接调用上面的单片机控制程序，是绝对行不通的，因为电磁式继电器动作 速度慢，跟不上单片机的驱动指令。解决的办法是交流电流是按一定的频率变化的，在50 赫兹交流电源中，交流电流的周期恒等于20毫秒，半个周期就是10毫秒，也就是说，在上面 的过零检测电路中，每隔10毫秒就会出现一个脉冲信号，由于在一般的实际使用场合，我 们对于交流电子开关的通断控制，在时间上没有特殊要求，也就是说在单片机作出通断指 令时，可以允许经过一定时间的延时再执行，而要想单片机作到这一要求，不仅易如反掌， 而且延时时间的精度也是非常高的，可以达到微妙级。这样在制造技术上，只要对被选定的 电磁式继电器，事先作好吸合时间和释放时间的精密测定(可以通过示波器检测，这个时 间因制造厂家，生产工艺，规格、材料不同而不同，一般在4-20毫秒范围内)，如果将这个滞 后时间加上预设的延时时间恰好等于交流电半周期的倍率时间时，那么就可以作到在单片 机检测到过零信号以后，再加上我们预设的延时时间，在下一个过零时刻到来前，提前驱动 电磁式继电器的开启与关闭控制，这样就实现了交流过零开启，过零关闭的目的。还有用直 流电磁式继电器来替换VM0S功率场效应管控制的交流电子开关电路，还有它的独到之处， 就是线圈直流控制回路和触点交流回路在电路上是隔离分开，那么我们就无须通过采用三 个相同结构原理、互相隔离独立的单相交流电子开关电路的组合来实现三相交流电路的通 断控制。而只需采用一片单片机的多个端口，同时控制三个直流电磁式继电器，只要将它们 的主触点分别串联在A、B、C三相交流回路中即可，当然这个设想，同样适合用于VM0S功率 场效应管控制的三相固态交流接触器，只要将分别连接在A、B、C三相交流回路中的三对互 相隔离独立的VM0S功率场效应管的、删极、源极直流开关信号，分别通过三个光偶器进行 隔离控制即可。参见附图3(三相固态VM0S功率场效应管控制原理图)。 需要理解到的是上述实施例虽然对本实用新型作了比较详细的文字描述，但是 这些文字描述，只是对本实用新型设计思路的简单文字描述，而不是对本实用新型设计思 路的限制，任何不超出本实用新型设计思路的组合、增加或修改，均落入本实用新型的保护 范围内。
权利要求一种由低损耗交流电子开关电路构成的单相交流接触器，其特征是单片机至少有三个输入端口分别用于连接由电流互感器构成的交流电流过零检测电路，由电源变压器构成的交流电压过零检测电路，由电阻、光偶器构成的控制信号输入电路，单片机至少有一个输出端用于连接两个直流电磁继电器。
2.根据权利要求1所述的由低损耗交流电子开关电路构成的单相交流接触器，其特征 是变压器T、二极管D1和D2、电阻R4和R6、稳压二极管Z2、和电容E构成工作电源电路， T次线线圈分别接D1和D2的正极，D1和D2负极分别接R4 —端和R6的一端，R6的另一端 接Z2的负极及E的正极，Z2的负极接E正极及接地。
3.根据权利要求1所述的由低损耗交流电子开关电路构成的单相交流接触器，其特 征是电源变压器初级线圈并联连接在交流接触器的输入端子，速饱和电流互感器L的原 边与两个VM0S功率场效应管的漏极和源极共同串联在交流主控回路的输入与输出端子之 间。
专利摘要本实用新型涉及一种可广泛用于低压电器制造行业，特别适合用来制造各种规格的固态交流继电器、固态交流接触器、固态交流控制模块、自复式电子保险器、无火花电磁式交流接触器的由低损耗交流电子开关电路构成的单相交流接触器，单片机至少有三个输入端口分别用于连接由电流互感器构成的交流电流过零检测电路，由电源变压器构成的交流电压过零检测电路，由电阻、光偶器构成的控制信号输入电路，单片机至少有一个输出端用于连接两个直流电磁继电器。优点只要被控制的交流电流足够小，或者N沟道电阻足够小，那么通态压降可以作到远小于0.7V以下，可以使得开关损耗降到最低限度，这是目前现有任何固态交流电子开关都无可比拟的最大优点。
文档编号H03K17/06GK201584953SQ20092017959
公开日2010年9月15日 申请日期2008年12月27日 优先权日2008年12月27日
发明者夏小勇 申请人:夏小勇