專利名稱：一種交流固態(tài)繼電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種交流固態(tài)繼電器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的固態(tài)繼電器，都是以靜態(tài)方式受控，因而對控制信號的連續(xù)性，穩(wěn)定性有較高要求，同時，其輸入輸出樣式也單一，由此帶來如下問題1、耗能。因其控制需要電平維持，一只固態(tài)繼電器可能只需要20毫安電流驅(qū)動，一百只就需要2安電流，可見，對一個稍大的系統(tǒng)而言，控制功耗問題就突現(xiàn)出來了。
2、難以降低控制系統(tǒng)的技術(shù)難度與成本，現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)均以動態(tài)摸式運(yùn)行，為了管理靜態(tài)受控的固態(tài)繼電器，必須加接一塊靜態(tài)輸出的接口電路。其中動靜轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換的麻煩自不必說，單就電源，因系統(tǒng)有大有小，就難以統(tǒng)一，更不用說通用化，標(biāo)準(zhǔn)化了。由于不能標(biāo)準(zhǔn)化，接口電路的造價和出錯率居高不下，有時，一塊接口電路的造價甚至超過計算機(jī)本身。
3、綜合性價比低，其輸入只有一種靜態(tài)模式；輸出更不理想，一只機(jī)電式繼電器所能提供的輸出，要幾只現(xiàn)有固態(tài)繼電器才能完成。
以上問題，大大限制了固態(tài)繼電器的推廣使用。
人民郵電出版社1991年10月版的《可編程序控制器》第393頁介紹了現(xiàn)有固態(tài)繼電器的一般形態(tài)。其結(jié)構(gòu)為現(xiàn)有固態(tài)繼電器均有兩個信號接收端；兩個接收端與外部正、負(fù)控制線連接，通過內(nèi)部光耦合器件形成外部回路；光耦合器內(nèi)部回路的正、負(fù)極與可控硅主電極以并聯(lián)的方式同全波整流電路的正、負(fù)極連接，并加接了限流限壓、濾波穩(wěn)壓電路，這樣，在可控硅主電極上承受的是220V----380V的高壓脈動直流；流過光耦合器內(nèi)部回路正、負(fù)極的是5V---12V的低壓穩(wěn)定直流，其輸出與可控硅的觸發(fā)端連接，當(dāng)外部控制線有輸入時，內(nèi)部回路有輸出。顯然，光耦合器隔離了外部控制線路對可控硅觸發(fā)在電壓上的干擾，也就是說，允許控制電路有較大的電壓干擾，但是，控制信號必須保持，特別在控制電流上不能有大的波動，否則，固態(tài)繼電器的輸出將產(chǎn)生誤動作?？梢姡F(xiàn)有固態(tài)繼電器對控制信號的功耗要求仍然是比較高的。
現(xiàn)有固態(tài)繼電器的輸出，特別是小型固態(tài)繼電器的輸出，用機(jī)電式繼電器的術(shù)語來說，它只有一個觸點。而目前機(jī)電式繼電器一般都有兩個以上的觸點，可以控制更多的對象。相比之下，現(xiàn)有固態(tài)繼電器的輸出，浪費了相當(dāng)?shù)目刂瀑Y源。這也是在中、低要求場合，現(xiàn)有固態(tài)繼電器難與機(jī)電式繼電器匹敵的主要原因之一。
現(xiàn)有固態(tài)繼電器輸出與受控一對一的關(guān)系，不僅降低了自身的性價比，還加大了控制系統(tǒng)的制作難度。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是通過對現(xiàn)有交流型固態(tài)繼電器受控及可控硅觸發(fā)結(jié)構(gòu)的改造，使之能夠識別、鎖存脈沖控制信號或頻率控制信號，并改善其輸出樣式，以大幅降低控制功耗和簡化控制條件，促進(jìn)自動控制系統(tǒng)驅(qū)動接口電路的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化；改進(jìn)后的固態(tài)繼電器能夠在結(jié)構(gòu)上標(biāo)準(zhǔn)化、小型化，在品種上系列化-------包括可以獨立使用的智能開關(guān)，以提供一種利用現(xiàn)有功率擴(kuò)展技術(shù)為基礎(chǔ)的功能擴(kuò)展核心器件，而提高綜合性價比。
本實用新型采用的技術(shù)方案1、本實用新型為固化在絕緣殼內(nèi)，包括可控硅，信號處理電路，直流電源，信號接收單元組成的模塊，直流電源是輸出電流≤6毫安，輸出電壓在3---18伏的全波整流、限流、穩(wěn)壓、濾波電路結(jié)構(gòu)，其中的全波整流電路允許通過≥1安的電流。本實用新型所用元件和電路，均以貼片器件為首選。本實用新型所說可控硅包括基本可控硅和附加可控硅，基本可控硅是觸發(fā)電流≤700微安，輸出功率≥60瓦的單向可控硅，它置于直流電源中全波整流電路的后面，工作在脈動直流條件下，基本可控硅通過全波整流電路與外部交流電路和交流負(fù)載連接，否則，繼電器不工作；附加可控硅采用與基本可控硅觸發(fā)性能相同或相當(dāng)?shù)碾p向可控硅或單向可控硅組合，工作在交流條件下，附加可控硅與外部交流電路連接與否，對繼電器不產(chǎn)生影響。信號處理電路是能用數(shù)字邏輯表述的CMOS集成數(shù)字觸發(fā)器或由觸發(fā)器構(gòu)成的鎖存器。所說的觸發(fā)器或鎖存器集成電路可以單獨使用或組合使用或變形使用，可以選用正邏輯器件或選用負(fù)邏輯器件。集成電路中的觸發(fā)器同名輸入端允許并聯(lián)，在輸入并聯(lián)時，其同名輸出端允許并聯(lián)，所說觸發(fā)器輸出通過限流電阻驅(qū)動基本可控硅和附加可控硅。信號接收單元是固化在絕緣殼內(nèi)的、以插座插口形式為外部接口的，稱作A、B的兩套結(jié)構(gòu)相同的電路，其電路因連接的觸發(fā)器或觸發(fā)器端口不同而有不同的定義。
本實用新型采用多路可控硅輸出，其中一路輸出是基本的，其他輸出是附加的，附加輸出允許選擇取舍，選擇一組正的或負(fù)的輸出，允許控制兩相或三相交流電，可控硅輸出允許功率擴(kuò)展，符合規(guī)范擴(kuò)展的功率，其功能不變。
2、信號處理電路的功能是實現(xiàn)控制信號識別、鎖存和可控硅的驅(qū)動，它可以采用以下結(jié)構(gòu)單獨使用SR觸發(fā)器或SR鎖存器集成電路，變形使用D或單獨使用T觸發(fā)器集成電路，組合使用觸發(fā)器集成電路，以及組合使用觸發(fā)器。
(1)單獨使用SR觸發(fā)器或SR鎖存器集成電路時，S與信號接收單元A的內(nèi)部節(jié)點a連接，R與信號接收單元B的內(nèi)部節(jié)點b連接。它響應(yīng)兩條路徑的控制信號，其控制信號可以是電平信號，也可以是脈沖寬度≥7微秒的方波信號。所述觸發(fā)器通過其節(jié)點a將信號接收單元的A定義為開啟信號輸入口；通過其節(jié)點b將信號接受單元的B定義為關(guān)斷信號輸入口，所述集成電路中所集成的觸發(fā)器同名輸入端S或者R并聯(lián)，同名輸出端Q或者負(fù)Q允許并聯(lián)，所說觸發(fā)器或鎖存器輸出Q或者負(fù)Q通過限流電阻驅(qū)動各自的可控硅，其功能在一塊集成電路上實現(xiàn)。
(2)變形使用D或單獨使用T觸發(fā)器集成電路時，其時鐘CP與信號接收單元的電阻節(jié)點a連接，D與自身的負(fù)輸出連接；T接高電平，集成電路中的觸發(fā)器同名輸入端D、T、CP并聯(lián)，觸發(fā)器只有時鐘端CP接收控制信號，并通過其節(jié)點a將信號接受單元的A定義為循環(huán)開關(guān)輸入口，B口可不用或通過高接點節(jié)點b與觸發(fā)器輸出連接，用于LED光輸出。所說控制信號是寬度≥7微秒的方波，觸發(fā)器輸出通過限流電阻驅(qū)動可控硅，其功能在一塊D觸發(fā)器或T觸發(fā)器集成電路中實現(xiàn)。
(3)組合使用觸發(fā)器集成電路時，前級采取可用電阻、電容調(diào)整輸出脈沖寬度的集成雙可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其上升沿觸發(fā)端與信號接收單元節(jié)點a連接，后級采用集成D觸發(fā)器，其D端與前級觸發(fā)器上升沿觸發(fā)端并聯(lián)，CP端接收前級觸發(fā)器的輸出負(fù)Q。所說組合觸發(fā)器響應(yīng)在100HZ---100KHZ之間的任一方波頻率及其倍頻或任一方波頻率及其分頻，并將其轉(zhuǎn)換成通過限流電阻驅(qū)動可控硅的直流開關(guān)信號。組合觸發(fā)器能夠組成兩套功能相同的結(jié)構(gòu)，其中一套通過節(jié)點a將信號接收單元的A定義為頻率信號識別基本口，并以其中一路輸出驅(qū)動基本可控硅，另一路可驅(qū)動附加可控硅；另一套，由頻率信號附加口B通過節(jié)點b輸入，其正負(fù)輸出負(fù)責(zé)驅(qū)動各自的附加可控硅，該電路功能需要兩塊集成電路實現(xiàn)。
(4)組合使用觸發(fā)器時，前一級觸發(fā)器可以是如(1)、(2)、(3)所說的任意一種觸發(fā)器或觸發(fā)器組合，后一級為D觸發(fā)器，其D觸發(fā)器的D端接收前級觸發(fā)器輸出的電平信號，CP端采集全波檢波裁波電路輸出的交流過零信號，組合觸發(fā)器的前級可以有多種控制信號響應(yīng)模式，組合觸發(fā)器后一級D觸發(fā)器負(fù)責(zé)通過限流電阻對兩只或一組可控硅實現(xiàn)交流過零型觸發(fā)驅(qū)動，其電路由最多三塊最少一塊集成電路構(gòu)成。
3、信號接收單元采用的結(jié)構(gòu)相同的電路是指從電源正極引出的兩個上位電阻RG分別與外部兩個插口連接，其連接點為高接點；從電源負(fù)極引出的兩個下位電阻RD分別與外部另外兩個插口連接，其連接點為低接點，節(jié)點a對應(yīng)A的高低兩個插口的內(nèi)部連線，稱為A的高、低接點的選擇，節(jié)點b對應(yīng)B的高低兩個插口的內(nèi)部連線，稱為B的高、低接點的選擇，其特征是所述節(jié)點與正邏輯觸發(fā)器輸入端連接，只能選擇低接點；節(jié)點與負(fù)邏輯觸發(fā)器輸入端連接，只能選擇高接點，高接點節(jié)點允許與觸發(fā)器輸出端連接，所述上位電阻RG、下位電阻RD，其阻值是一個標(biāo)準(zhǔn)化系列，該標(biāo)準(zhǔn)化系列將規(guī)范光電耦合器以及其他傳感器的使用。
本實用新型的有益效果本實用新型將觸發(fā)器與可控硅一體化結(jié)合，構(gòu)成一種新型固態(tài)繼電器，其意義在于改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的管理模式不再是動態(tài)的控制系統(tǒng)通過靜態(tài)轉(zhuǎn)換去管理固態(tài)繼電器，而是由裝上了觸發(fā)器的固態(tài)繼電器去理解并服從動態(tài)管理，對系統(tǒng)的控制要求大大降低，同時，也改變了固態(tài)繼電器輸入輸出樣式單一的形象。
理論上講，控制系統(tǒng)在一秒用來驅(qū)動一只傳統(tǒng)繼電器的功耗，足以驅(qū)動十幾萬只響應(yīng)脈寬≥7微秒的本實用新型，更重要的是它們不再需要連續(xù)電平維持。
本實用新型的基本功能是響應(yīng)脈沖信號和多輸出樣式，其有限的結(jié)構(gòu)是由有限的、標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一器件構(gòu)成，這有利于性價比和可靠性的提高。
本實用新型的多樣化功能，靠組合模式實現(xiàn)，其表現(xiàn)在將光電耦合器剝離出去，以插座信號接口實現(xiàn)外部信號輸入形式的多樣化。
用有限的標(biāo)準(zhǔn)化觸發(fā)器及其組合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)其信號識別、鎖存和可控硅驅(qū)動模式的多樣化。
以標(biāo)準(zhǔn)的、小功率的本實用新型為核心，利用現(xiàn)有功率擴(kuò)展技術(shù)，建立一種新的功能擴(kuò)展模式，即功能在功率領(lǐng)域的多樣化。
本實用新型的實現(xiàn)與可行得益于下列現(xiàn)有器件與技術(shù)觸發(fā)電流≤700微安的小功率可控硅；輸入＜0.1微安，輸出≥3毫安的CMOS觸發(fā)器；成熟的電子貼片器件技術(shù)和可控硅功率擴(kuò)展技術(shù)。


圖1是本實用新型的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本實用新型信號接收單元具體實施方式
之一的電路原理圖。
圖3是本實用新型采用集成雙D觸發(fā)器的信號處理電路原理圖。
圖4-1是經(jīng)全波整流、限流所得波形，圖4-2是穩(wěn)壓管T2裁波所得9V低壓波形。
圖5是識別、鎖存頻率控制信號的觸發(fā)器原理圖。
圖6是識別、鎖存頻率控制信號的輸入輸出波形圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例進(jìn)一步說明本實用新型如圖1所示，本實用新型為固化在絕緣殼1內(nèi)的模塊，可控硅2包括基本可控硅2J和附加可控硅2F，信號處理電路3，直流電源4，信號接收單元5。
基本可控硅2J采用觸發(fā)電流≤700微安，輸出功率≥60瓦的單向可控硅，它置于直流電源中全波整流電路的后面，其主電極正負(fù)端與電源部分中全波整流電路的高壓正負(fù)輸出端對應(yīng)連接，基本可控硅必須通過全波整流電路與外部交流電路和交流負(fù)載連接，否則，繼電器不能工作；附加可控硅2F可以采用同等功率的單向可控硅組合或雙向可控硅。
信號處理電路3為CMOS集成數(shù)字觸發(fā)器或由觸發(fā)器構(gòu)成的鎖存器，其輸出Q與基本可控硅2J以及附加可控硅2F的觸發(fā)端連接。
信號接收單元5作為本實用新型的信號接受端，不僅可以接收光電耦合器W1、W2輸出的信號，還允許接收其它器件輸出的符合標(biāo)準(zhǔn)的信號。信號接收單元5外部插口A、N1或B、N2與光電耦合器W1或W2連接。
信號接收單元5的輸出與信號處理電路3的輸入連接。信號處理單元3以不同的CMOS鎖存器、觸發(fā)器為核心，可以實現(xiàn)不同的邏輯功能。如單獨使用SR觸發(fā)器或SR鎖存器集成電路，變形使用D或單獨使用T觸發(fā)器集成電路，組合使用觸發(fā)器集成電路，以及組合使用觸發(fā)器。信號處理單元3的輸Q出與基本可控硅2J和附加可控硅2F的觸發(fā)端連接。
與基本可控硅2J連接的全波整流電路輸出經(jīng)限流、限壓、穩(wěn)壓、濾波，獲得供給本實用新型使用的3V---18V直流電源。本實用新型的直流電源與現(xiàn)有固態(tài)繼電器的直流電源在結(jié)構(gòu)上是相同的，不同的只是它提供的低壓直流，通過信號接收單元5與外部傳感器形成內(nèi)部回路，并給信號處理電路3提供能量。
本實用新型與現(xiàn)有固態(tài)繼電器在結(jié)構(gòu)上的根本區(qū)別是增加了一套信號處理電路3，可控硅的觸發(fā)不再由光電耦合器的輸出實現(xiàn)，而是由信號處理電路3的輸出來完成的。由于信號處理電路3可以有較多的輸出Q，所以可以實現(xiàn)兩個以上可控硅的觸發(fā)。另外，將光電耦合器作為外部器件，使本實用新型有了響應(yīng)外部信號更大的自由度。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明由光電耦合器輸出通過信號接受單元5與信號處理單元3輸入的連接關(guān)系，以及由不同集成電路組成的信號處理單元3的邏輯特性。
光電耦合器W1或W2的輸出與信號接收單元5外部插口A、N1或B、N2連接，內(nèi)部節(jié)點a或b以低接點方式輸出正邏輯信號，信號處理電路3采用正邏輯SR觸發(fā)器，其輸入S、R和輸出Q、負(fù)Q的邏輯關(guān)系如下
表1

注1＝高電平0＝低電平保持＝不變不定＝可能出錯需要避免S、R同時為‘1’，這對計算機(jī)很容易作到。按上述邏輯，由W1經(jīng)過節(jié)點a給S一個邏輯信號‘1’，不管是否連續(xù)，Q都將輸出‘1’；由W2經(jīng)過節(jié)點b給R一個邏輯信號‘1’，不管是否連續(xù)，Q將輸出‘0’。還可以選用負(fù)邏輯器件即給S一個邏輯‘0’，Q輸出‘1’；給R一個邏輯‘0’，Q輸出‘0’，此時應(yīng)避免S、R同時為‘0’，并采用高接點節(jié)點a或b輸出負(fù)邏輯信號。只要輸入的脈沖寬度大于光電耦合器響應(yīng)時間與電路傳輸延遲時間之和并有冗余，裝置就能穩(wěn)定地工作。
用SR觸發(fā)器的兩路輸出負(fù)Q、Q去驅(qū)動可控硅輸出，其中一路驅(qū)動基本可控硅2J，這一路可控硅電路向直流電源4供電，另一路驅(qū)動附加可控硅2F，附加可控硅2F選用觸發(fā)電流與基本可控硅性能相當(dāng)?shù)碾p向可控硅或單向可控硅組合，雙向可控硅的觸發(fā)方式選用功耗最小的I-、III-方式，因為觸發(fā)器輸出的是正電壓，需要將雙向可控硅主電路的接點T1、T2反接，使T2所受電壓與門極電壓同向；單向可控硅組合的驅(qū)動其實就是驅(qū)動反并聯(lián)的兩個單向可控硅，其性能要優(yōu)于雙向可控硅，這些驅(qū)動因可控硅門極接受的是觸發(fā)器直流，沒有相位匹配問題。圖1中所采用的集成電路集成了兩個SR觸發(fā)器，將其輸入同名端并聯(lián)，該集成電路便具有了驅(qū)動4只可控硅的能力，因為是正或負(fù)樣式相對的輸出，所需功耗應(yīng)按一半計算。圖1中將兩個同名輸出端Q1、Q2并聯(lián)，說明允許有這種用法。
CMOS觸發(fā)器的輸入電流≤0.1微安，輸出電流≥2.5毫安，其輸出邏輯“1”時，是方向向外的灌電流，輸出邏輯“0”時，是方向向內(nèi)的拉電流，因此，其輸出必須通過限流電阻與可控硅門極連接?？煽毓栌捎|發(fā)器輸出的邏輯“1”導(dǎo)通，其輸出的邏輯“0”則使可控硅在零電位時關(guān)斷原則上講，一只集成了N個觸發(fā)器的集成電路，只要電源許可，就能實現(xiàn)N2個可控硅輸出，其中有一路是基本的，其它輸出是附加的，附加輸出允許選擇取舍。不過，從體積與可控硅散熱角度考慮，多于三對的可控硅配置，將影響總體性能。
為了避免出錯觸發(fā)，信號處理電路3可以改為四或非S、R鎖存器，其輸入與輸出Q的關(guān)系如表2

注1＝高電平0＝低電平保持＝不變Z＝高阻x＝任何狀態(tài)表2說明，在允許端E處于高電平的情況下，這種器件允許S、R存在任何狀態(tài)而不會誤觸發(fā)，為了避免高阻，圖2中將Z接高電平，四個鎖存器只用了三個，該器件只有正輸出Q，適用于本實施例的通用集成電路有CC4043。
CMOS的輸入特征是，將≥70％電源電壓的輸入電平判定為邏輯1，將≤30％電源電壓的輸入電平判定為邏輯0，因而有很高的抗干擾能力，其轉(zhuǎn)移特性，在-55---+125℃范圍內(nèi)，受溫度影響甚微，輸入電流＜0.1微安，同時，自身功耗極小。
圖2所示信號接收單元5建立在CMOS優(yōu)良的輸入特性上，其外部接口A或B分別與上位電阻RG連接，其連接點為高接點；外部接口N1或N2分別與下位電阻RD連接，其連接點為低接點，節(jié)點a或b分別對應(yīng)A、N1或B、N2的高低接點，(用帶箭頭的虛線表示a或b對高低接點的選擇)。
將信號接收單元5的A、N1或B、N2與光敏電阻GR1、GR2連接，見圖2，設(shè)電源電壓為12V，光敏電阻GR1、GR2的亮阻≤10千歐姆，暗阻≥10兆歐姆，當(dāng)節(jié)點a或b選擇高接點，節(jié)點a或b輸出負(fù)邏輯信號，上位電阻RG的阻值定為1兆歐姆，下位電阻RD的阻值定為100千歐姆。光敏電阻在暗阻，節(jié)點a或b電平＞電源電壓90％；光敏電阻在亮阻，節(jié)點a或b電平＜電源電壓10％，其輸出電流在1---12微安之間。
當(dāng)節(jié)點a或b選擇低電平，節(jié)點a或b輸出正邏輯信號，上位電阻RG的阻值定為200千歐姆，下位電阻RD的阻值定為1兆歐姆。光敏電阻在暗阻，節(jié)點a或b電平＜電源電壓10％；光敏電阻在亮阻，節(jié)點a或b電平＞電源電壓82％，其輸出電流在1---60微安之間。
信號接收單元5中的上位電阻RG與下位電阻RD，其阻值是一個標(biāo)準(zhǔn)化系列，由選定的數(shù)個典型光電耦合器為代表，針對其輸入阻抗與觸發(fā)器的邏輯正負(fù)要求而制定，該標(biāo)準(zhǔn)化系列將規(guī)范光電耦合器及其它傳感器的使用。
顯然，如果將圖2中兩個響應(yīng)速度適應(yīng)500HZ以內(nèi)的光敏電阻置于大屏幕的不同位置，通過信號接收單元5就能夠?qū)⒋笃聊簧?50HZ特定掃描光標(biāo)轉(zhuǎn)換成正邏輯或負(fù)邏輯觸發(fā)器所需要的正確邏輯信號，而構(gòu)成光控智能裝置的輸入端。同樣道理，選擇符合阻抗標(biāo)準(zhǔn)的熱敏、磁敏、壓敏等傳感器件與不同觸發(fā)性能的本實用新型結(jié)合，可以構(gòu)成一個種類繁多的智能化交流開關(guān)大家族。
信號處理單元3還可以采用一個集成雙D觸發(fā)器，構(gòu)成交流過零型的觸發(fā)電路。
采用一個集成雙D觸發(fā)器，正邏輯觸發(fā)器的輸入R、D、CP和輸出Q、負(fù)Q有如下邏輯關(guān)系 注↑＝脈沖方波的上升沿 ＝除脈沖方波上升沿的其他波態(tài)保持＝維持Q或Q的原狀態(tài)X＝不論什么狀態(tài)如圖3所示由于圖中D1與負(fù)Q1的連接方式，第一D觸發(fā)器實際變形成了T觸發(fā)器，即由低電平節(jié)點a輸入到CP1的每一個脈沖上升沿，Q1與負(fù)Q1都將響應(yīng)，負(fù)Q1通過限流電阻將D1狀態(tài)反相，以便下一次CP1收到脈沖時的翻轉(zhuǎn)，使觸發(fā)器具有循環(huán)開關(guān)的功能；節(jié)點b選擇高接點并與負(fù)Q1連接，由負(fù)Q1輸出的灌電流經(jīng)外接B口、與N2、下位電阻形成回路驅(qū)動電流≤600微安的高品質(zhì)LED，當(dāng)負(fù)Q1輸出拉電流時，上位電阻的限流作用使B口保持零電位，這為控制系統(tǒng)提供了一個了解器件實際狀態(tài)的光輸出窗口。因A、N1或B、N2的輸出輸入均為光電隔離，不存在器件與控制系統(tǒng)的電平匹配問題。
當(dāng)然，第一級觸發(fā)器也可以采用SR觸發(fā)器，因為在實際的D觸發(fā)器器件(如CC4013)中，保留有S、R的輸入口，此時，信號接收單元(5)的配置如前圖1所述。其實，第一級觸發(fā)器可以采用任何一種觸發(fā)器或觸發(fā)器組合。
圖3所示的交流過零型觸發(fā)電路的工作原理是第一級由D觸發(fā)器變形為T觸發(fā)器功能，當(dāng)光電耦合器W1信號經(jīng)低接點節(jié)點a送至CP1，0.15微秒以內(nèi)Q1狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，經(jīng)過限流電阻向D2輸出電平信號。
第二級由D觸發(fā)器擔(dān)任，當(dāng)D2接到指令(由第一級觸發(fā)器Q1給出)時，Q2并不立即動作，而要等CP2收到一個脈沖的上升沿。這個上升沿由直流電源4中未經(jīng)濾波的橋式全波整流電路與限流電阻R5連接，對主交流電路進(jìn)行整流、限流，得到小電流的220V脈動直流，其波形見圖4-1，正向串聯(lián)在這個電路中的穩(wěn)壓管t2。(本實施例選用穩(wěn)壓值為9V的穩(wěn)壓管)對220V的脈動直流進(jìn)行穩(wěn)壓裁波，得到近似方波的9V低壓脈沖，波形見圖4-2。顯然，它與主交流電路同步。當(dāng)該同步脈沖的上升沿達(dá)到觸發(fā)器工作電壓的70％，即6.3V，Q2和負(fù)Q2將在0.15微秒以內(nèi)輸出直流電平，假定觸發(fā)器D端接受到的是高電平，其工作電壓是9伏，50HZ220伏交流電從0伏達(dá)到±6.3伏[約91微秒]時，任意一路可控硅將被Q2輸出邏輯“1”導(dǎo)通并以直流電平維持，另一路可控硅將被負(fù)Q2輸出邏輯“0”使電路在零電位時關(guān)斷；當(dāng)觸發(fā)器D端接受到低電平，CP端接受的上升沿將使負(fù)Q2在±6.3伏[約91微秒]時輸出邏輯“1”，而Q2輸出邏輯“0”。顯然，其導(dǎo)通精度與波形，大大優(yōu)于由光敏三極管構(gòu)成的現(xiàn)有交流過零結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的、每個波周至少需要±15伏、一般要±30伏才能導(dǎo)通的精度和波形。還可以選用下降沿觸發(fā)的負(fù)邏輯D觸發(fā)器器件做第二觸發(fā)器，其原理同圖3所述，只是CP2要判斷的是脈沖下降沿，當(dāng)這個脈沖下降沿電壓≤其工作電壓的30％，0.15微秒以內(nèi)Q2和負(fù)Q2將輸出各自的直流觸發(fā)電平。
圖3所示在一塊雙D觸發(fā)器集成電路上實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，也可以選用四D鎖存器集成電路來實現(xiàn)三相電的可控硅控制，如CC4042。
如圖5所示，信號處理單元3還可以采用以下結(jié)構(gòu)方式前一級采用一塊可用電阻R1、電容C1調(diào)整單穩(wěn)輸出脈沖寬度的集成雙可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(如CC14538)，后一級用一塊集成雙D觸發(fā)器(如CC4013)。如果將前一級觸發(fā)器的單穩(wěn)輸出脈沖寬度調(diào)整到300微秒并以反向輸出給D觸發(fā)器的CP，CP得到的脈沖上升沿會總是對準(zhǔn)D的0或1。當(dāng)?shù)瓦B接節(jié)點a接收到2400HZ或1200HZ的輸入頻率送入一個觸發(fā)器的觸發(fā)端CP1和D1端時，D觸發(fā)器CP1收到的信號脈沖上升沿會總是對準(zhǔn)D1所收信號的’0’或’1’，因此，D觸發(fā)器對應(yīng)1200HZ頻率的正Q1輸出為1，對應(yīng)2400HZ頻率的正Q1輸出為0，光電耦合器W1輸入1200赫茲，Q1輸出1，Q1驅(qū)動的可控硅導(dǎo)通，光電耦合器W1輸入2400赫茲，Q1輸出0，Q1驅(qū)動的可控硅關(guān)斷。如果選用其負(fù)Q1輸出驅(qū)動可控硅，情況正相反，沒有頻率輸入時D觸發(fā)器將保持已有輸出狀態(tài)；光電耦合器W2的輸入頻率、接點b、D2、CP2、Q2以及可控硅驅(qū)動關(guān)系亦是如此。如圖6所示，2)是1200HZ的輸入信號，2)是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的負(fù)Q信號，3)是D觸發(fā)器正Q輸出的電平信號，4)是D觸發(fā)器負(fù)Q輸出的電平信號，5)2400HZ的輸入信號，6)是是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的負(fù)Q信號，7)是D觸發(fā)器正Q輸出的電平信號，8)是D觸發(fā)器負(fù)Q輸出的電平信號。
圖5所示結(jié)構(gòu)，前后兩個集成電路可構(gòu)成兩套結(jié)構(gòu)相同的電路，其頻率設(shè)置可自由選擇，每一套電路均有一對正負(fù)輸出，只有一套是基本的，用其中的一路驅(qū)動基本可控硅2J。
選用光敏電阻式的光電耦合器，響應(yīng)頻率可達(dá)五百赫茲；選用其它樣式的光電耦合器，最高響應(yīng)頻率可達(dá)數(shù)百千赫茲，圖5中所示為光敏二極管式的光電耦合器，為了可靠，一般要求輸入頻率≥三個波周。如果在其信號輸入端接點a加上精密帶通濾波器，該結(jié)構(gòu)將具有獨立的頻率開關(guān)身份----即在一定頻率范圍內(nèi)，某一頻率不再是一般開關(guān)指令，而是某一特定器件的特定開關(guān)指令。圖5所示觸發(fā)器組合亦可用于例3所述的第一級觸發(fā)器。
本實用新型可以有多路可控硅輸出，其中一路輸出是基本的，其他輸出是附加的，所謂基本可控硅輸出，是指這一路可控硅必須與外部交流電路以及交流負(fù)載連接，否則，本實用新型將無法工作。附加可控硅輸出允許選擇取舍，選擇一組正輸出或負(fù)輸出，允許控制兩相或三相交流電，所說可控硅輸出允許功率擴(kuò)展，其符合規(guī)范擴(kuò)展的功率，功能不變。
以現(xiàn)有的功率擴(kuò)展技術(shù)可以實現(xiàn)本實用新型的功能擴(kuò)展。本實用新型在正常散熱情況下，可有一組或一正一負(fù)兩組，每組≤三只，每只≥60W的阻性功率輸出，使之不僅能較遠(yuǎn)距離控制小功率負(fù)載電器，還能利用現(xiàn)有技術(shù)方便擴(kuò)展功率，一方面保證了其結(jié)構(gòu)的小型化、標(biāo)準(zhǔn)化，另一方面實現(xiàn)了本實用新型在不同功率場合的功能擴(kuò)展。
權(quán)利要求1.一種交流固態(tài)繼電器，包括可控硅[2]，直流電源[4]，其特征在于還包括信號處理電路[3]和信號接收單元[5]；可控硅[2]包括基本可控硅[2J]和附加可控硅[2F]，基本可控硅[2J]是觸發(fā)電流≤700微安，輸出功率≥60瓦的單向可控硅，它置于直流電源4的全波整流電路的后面，工作在脈動直流條件下，基本可控硅[2J]通過全波整流電路與外部交流電路和交流負(fù)載連接；附加可控硅[2F]采用與基本可控硅觸發(fā)性能相同或相當(dāng)?shù)碾p向可控硅或單向可控硅組合，工作在交流條件下；信號處理電路[3]是用數(shù)字邏輯表述的CMOS集成數(shù)字觸發(fā)器或由觸發(fā)器構(gòu)成的鎖存器，集成數(shù)字觸發(fā)器或鎖存器可以獨使用或組合使用或變形使用，所說觸發(fā)器可以是用邏輯“1”或脈沖上升沿觸發(fā)的正邏輯器件，也可以是用邏輯“0”或脈沖下降沿觸發(fā)的負(fù)邏輯器件；信號處理電路[3]觸發(fā)器輸出[Q]通過限流電阻驅(qū)動可控硅[2J]或[2F]，信號接收單元[5]是以插座插口[A]、[N1]和[B]、[N2]為外部接口的兩套結(jié)構(gòu)功能相同的電路，其電路因連接的觸發(fā)器或觸發(fā)器端口不同而有不同的定義。
2.如權(quán)利要求1所述的交流固態(tài)繼電器，其特征在于所述的信號接收單元[5]，從電源正極引出的兩個上位電阻[RG]分別與外部[A]、[B]口連接，其連接點為高接點；從電源負(fù)極引出的兩個下位電阻[RD]分別與外部[N1]、[N2]連接，其連接點為低接點，節(jié)點[a]對應(yīng)[A]、[N1]的高、低接點，節(jié)點[b]對應(yīng)[B]、[N2]的高、低接點；所述節(jié)點與正邏輯觸發(fā)器輸入端連接，只能選擇低接點；節(jié)點與負(fù)邏輯觸發(fā)器輸入端連接，只能選擇高接點，高接點節(jié)點允許與觸發(fā)器輸出端連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述的交流固態(tài)繼電器，其特征在于所述的信號處理電路[3]單獨使用SR或者SR鎖存器集成電路時，S與信號接收單元5的節(jié)點[a]連接，R與信號接收單元(5)的節(jié)點[b]連接；所述集成電路是一種集成了兩只或兩只以上相同觸發(fā)器或鎖存器的集成塊，指CMOS鎖存器、觸發(fā)器----4000系列、78系列中的SR觸發(fā)器，如CC4043；集成電路中所集成的觸發(fā)器或鎖存器同名輸入端并聯(lián)，同名輸出端[Q]或者[負(fù)Q]允許并聯(lián)，所說觸發(fā)器或鎖存器的輸出[Q]或者[負(fù)Q]限流電阻驅(qū)動各自的可控硅[2J]或[2F]；所述觸發(fā)器或鎖存器響應(yīng)兩條路徑的控制信號，所說控制信號可以是電平信號，也可以是脈沖寬度≥7微秒的脈沖信號；并通過節(jié)點[a]將信號接收單元[5]的[A]、[N1]定義為開啟信號輸入口；通過節(jié)點[b]將信號接受單元[5]的[B]、[N2]定義為關(guān)斷信號輸入口。
4.如權(quán)利要求1或2所述交流固態(tài)繼電器，其特征在于所述的信號處理電路[3]變形使用D觸發(fā)器或單獨使用T觸發(fā)器集成電路時，其時鐘[CP]與信號接收單元[5]的節(jié)點[a]連接，D與自身的負(fù)輸出連接；T接高電平；所述兩種觸發(fā)器只以時鐘端[CP]控制信號，并通過其節(jié)點[a]將信號接受單元[5]的[A]、[N1]定義為循環(huán)開關(guān)輸入口，[B]、[N2]口可不用或通過高連接節(jié)點[b]與觸發(fā)器輸出連接，用于光輸出；所說控制信號是寬度≥7微秒的方波；所述集成電路是一種集成了相同觸發(fā)器的集成塊，如CC4013屬于CMOS4000系列，集成電路中的觸發(fā)器同名輸入端D、T、[CP]，同名輸出端[Q]或者[負(fù)Q]允許并聯(lián)，其輸出通過限流電阻驅(qū)動各自的可控硅。
5.如權(quán)利要求1或2所述交流固態(tài)繼電器，其特征在于所述的信號處理電路[3]組合使用觸發(fā)器集成電路時，前級采用可用電阻、電容調(diào)整輸出脈沖寬度的集成雙可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其觸發(fā)端與信號接收單元[5]節(jié)點[a]連接，后級采用集成D觸發(fā)器，其D端與前級觸發(fā)器觸發(fā)端并聯(lián)，[CP]端接收前級觸發(fā)器的[負(fù)Q]輸出；所說組合觸發(fā)器響應(yīng)在100HZ---100KHZ之間的任一方波頻率及其倍頻或任一方波頻率及其分頻，并將其轉(zhuǎn)換成能直接驅(qū)動可控硅的直流開關(guān)信號；所述組合觸發(fā)器由兩塊集成電路組成兩套功能相同的結(jié)構(gòu)，其中一套通過節(jié)點[a]將信號接收單元[5]的[A]、[N1]定義為頻率信號識別基本口，并以其中一路輸出驅(qū)動基本可控硅[2J]，另一路允許驅(qū)動附加可控硅[2F]；另一套由頻率信號附加口[B]、[N2]通過節(jié)點[b]輸入頻率信號，其正負(fù)輸出允許驅(qū)動附加可控硅[2F]輸出，其可控硅驅(qū)動經(jīng)過電阻限流。
6.如權(quán)利要求1或2所述的交流固態(tài)繼電器，其特征在于所述的信號處理電路[3]，組合使用觸發(fā)器時，前一級觸發(fā)器可以是SR或者SR鎖存器、D觸發(fā)器或T觸發(fā)器及其它們的組合，后一級為D觸發(fā)器，其D觸發(fā)器的D端接收前級觸發(fā)器輸出的電平信號，[CP]端采集全波檢波裁波電路輸出的交流過零信號；前一級觸發(fā)器是兩塊集成電路或一塊集成電路的其中一只觸發(fā)器，組合觸發(fā)器由最少一塊最多三塊集成電路構(gòu)成，當(dāng)后一級D觸發(fā)器有兩只或兩只以上時，其同名輸入端并聯(lián)，同名輸出端[Q]或者[負(fù)Q]允許并聯(lián)，并通過限流電阻實現(xiàn)對可控硅[2J]或[2F]的交流過零型觸發(fā)驅(qū)動。
專利摘要本實用新型涉及一種交流固態(tài)繼電器。它是固化在絕緣殼內(nèi)，由可控硅，信號處理電路，直流電源，信號接收單元組成的模塊。它響應(yīng)脈沖或頻率信號的控制，并有多路可控硅輸出。其信號接收單元是固化在絕緣殼內(nèi)的、以插座插口A、N1和B、N2為外部接口的兩套結(jié)構(gòu)相同的電路，其電路因連接的信號處理電路邏輯不同而有不同的定義和標(biāo)準(zhǔn)。本實用新型將大幅降低控制功耗和簡化控制條件，促進(jìn)自動控制系統(tǒng)驅(qū)動接口電路的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。
文檔編號H03K17/94GK2733746SQ20042000924
公開日2005年10月12日 申請日期2004年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月13日
發(fā)明者高力 申請人:高力