專利名稱：固體繼電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電器電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種固體繼電器的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
固態(tài)繼電器(Solid State Relays，SSR)是一種無觸點(diǎn)電子開關(guān)，它利用電子元件 (如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件)的開關(guān)特性，可達(dá)到無觸點(diǎn)無火花地接通和斷開電路的目的，在其輸入端加上直流或脈沖信號，輸出端就能從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài) (無信號時(shí)呈阻斷狀態(tài))，即當(dāng)控制腳之間施加電壓時(shí)，固體繼電器導(dǎo)通，而當(dāng)控制腳之間的施加電壓撤銷則固體繼電器斷開，從而控制較大負(fù)載。美國專利號4804866介紹的固體繼電器關(guān)斷控制電路有效的使場效應(yīng)管關(guān)斷時(shí)的柵源電容放電速度的到提升。其基本原理為“將一個(gè)控制裝置連接到光伏二極管陣列與輸出金屬氧化物場效應(yīng)管的柵極之間，從而使控制裝置在光伏輸出時(shí)處于高阻狀態(tài)，在光伏輸出消失時(shí)處于低阻狀態(tài)，以便光伏二極管陣列產(chǎn)生的充電電流流向輸出端金屬氧化物場效應(yīng)管的柵極”。專利中提到的控制裝置就是加速泄放電路，采用了 N溝道JFET (常閉器件)、二極管及NPN三極管、二極管、電阻組合而成。美國專利號5151602，在常閉性器件組成的金屬氧化物場效應(yīng)管柵極泄放電路中， 增加了阻抗原件。與專利號48404866的繼電器相比較，增加了阻抗原件可以使繼電器的輸出信號波形上升下降沿變得平緩，有效的提高了繼電器抗電器噪聲的能力，但由于沒做進(jìn)一步處理使得接通和關(guān)斷時(shí)間較長。美國專利號5278422同樣是常閉型器件組成的加速泄放電路，該泄放電路也增加了阻抗原件。但由于此阻抗的位置并不在充電回路上，所以較美國專利號5151602，該泄放電路使柵充電時(shí)間不會(huì)延長，而同時(shí)又使得輸出信號的下降沿趨于緩和，提高了抗噪聲的能力，但總的關(guān)斷時(shí)間還是偏大。公開號CN1D8553A公開了一種固體繼電器，由常開型器件組成的加速充放電電路，該加速接通電路由電容、NPN三極管和二極管組成，其對金屬氧化物場效應(yīng)管柵的加速充電需要一個(gè)電容借助于輸出電源提供的能量來實(shí)現(xiàn)。該方案有效減小了接通時(shí)間，但由于電容的引入和需要借助輸出電源不可避免的增加了芯片面積和布線的難度，另外對下降沿坡度的控制也略顯不足，抗干擾能力較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的固體繼電器存在的上述問題，提出了一種固體繼電器。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種固體繼電器，包括，一個(gè)接在繼電器輸入端子之間的發(fā)光元件；一個(gè)耦合發(fā)光元件光信號時(shí)，產(chǎn)生光伏輸出的光伏二極管陣列；一個(gè)或兩個(gè)接在繼電器輸出端子之間的常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管；
其特征在于，還包括一個(gè)由光電三極管組成的加速充電電路，其中，光電三極管的發(fā)射極接常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管的柵極，集電極接在光伏二極管陣列的第一端；一個(gè)由兩個(gè)PNP三極管、一個(gè)NPN三極管和一個(gè)光電三極管組成的加速泄放電路， 其中，兩個(gè)PNP三極管具體為第一 PNP三極管和第二 PNP三極管，兩個(gè)PNP三極管的發(fā)射極共同連接于常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管的柵極，兩個(gè)PNP三極管的集電極與NPN三極管的基極連接在一起，第一 PNP三極管的基極連接于光伏二極管陣列的第一端，第二 PNP三極管的基極連接于NPN三極管的集電極，光電三極管的發(fā)射極連接于常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管的源極，光電三極管的集電極連接于NPN管的基極。作為上述方案的一個(gè)優(yōu)選方案，所述繼電器還包括一個(gè)電阻，所述電阻連接在所述第一 PNP三極管的集電極與第二 PNP三極管的集電極之間。作為上述方案的另一個(gè)優(yōu)選方案，所述繼電器還包括一個(gè)電阻，所述電阻連接在所述NPN三極管的發(fā)射極與所述的加速泄放電路的光電三極管的發(fā)射極之間。進(jìn)一步的，接在繼電器輸出端子之間的常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管為兩個(gè)， 其中，兩個(gè)常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管的源極相連，作為所述繼電器的第三輸出端子； 兩個(gè)漏極分別作為所述繼電器的第一、第二輸出端子。進(jìn)一步的，常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管為N溝道增強(qiáng)型。本發(fā)明與現(xiàn)有的固體繼電器相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)或積極效果1、本發(fā)明主要是通過對輸出金屬氧化物場效應(yīng)晶體管柵電容進(jìn)行充電放電來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行柵充電時(shí)，主要由第二 PNP三極管和NPN三極管組成的加速泄放電路處于高阻狀態(tài) (即器件處于反偏)；而進(jìn)行柵電荷泄放時(shí)，經(jīng)第一 PNP三極管的電流觸發(fā)后電路中產(chǎn)生類似閂鎖效應(yīng)的正反饋機(jī)制，使泄放電路處于低阻狀態(tài)。這一電路結(jié)構(gòu)達(dá)到了對繼電器的快速導(dǎo)通及關(guān)斷的目的，而對這兩種電路實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的控制是通過所述光伏二極管陣列輸出的改變而實(shí)現(xiàn)。2、本發(fā)明引入了光電三極管，在對輸出金屬氧化物場效應(yīng)晶體管柵充電時(shí)，電路處于光照狀態(tài)下，加速充電電路的光電三極管處于低阻狀態(tài)，故充電電路的電阻約等于光電三極管導(dǎo)通后的電阻，其開啟延遲將變得很小，而加速泄放電路的光電三極管的導(dǎo)通將 NPN管的發(fā)射結(jié)短路使閂鎖效應(yīng)被禁止，從而泄放通路處于高阻狀態(tài)。3、本發(fā)明的控制電路較為簡單，其中優(yōu)選方案中電阻的引入可以控制第一 PNP三極管的觸發(fā)電流大小，另外也可以避免由輸出端信號的波動(dòng)引起的誤導(dǎo)通，抗干擾能力較強(qiáng)，并且整個(gè)電路中不存在電容，不會(huì)增加芯片的面積。。


圖1是本發(fā)明固體繼電器實(shí)施例一的電路原理圖。圖2是本發(fā)明固體繼電器實(shí)施例二的電路原理圖。圖3是本發(fā)明固體繼電器實(shí)施例三的電路原理圖。圖4是本發(fā)明固體繼電器實(shí)施例四的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。本發(fā)明的固體繼電器的基本電路結(jié)構(gòu)包括一個(gè)發(fā)光元件，在接收到輸入電流時(shí)發(fā)出光信號；一個(gè)光伏二極管陣列，在接收到所述發(fā)光元件發(fā)出的光信號時(shí)由于光伏效應(yīng)產(chǎn)生電流；繼電器輸出端連接的是一個(gè)常開型金屬氧化場效應(yīng)晶體管。另外還包括一個(gè)介于發(fā)光元件和輸出場效應(yīng)晶體管之間的控制電路，此電路用于控制對輸出場效應(yīng)晶體管柵的充放電。在所述發(fā)光元件接通后，光伏二極管陣列接收光照，經(jīng)光伏效應(yīng)有電流輸出，充電電路開始工作，泄放電路處于高阻狀態(tài)，光生電流經(jīng)光電三極管對輸出場效應(yīng)晶體管柵進(jìn)行充電；在所述發(fā)光元件關(guān)斷后，光信號被取消，光伏二極管光伏輸出被取消，此時(shí)加速泄放電路被接通處于低阻狀態(tài)，輸出場效應(yīng)晶體管柵上的電荷通過泄放電路被泄放。實(shí)施例一按照本發(fā)明的固體繼電器的一種體現(xiàn)如圖1的實(shí)施例一所示。具體包括，一個(gè)接著繼電器輸入端子111和Illa之間的發(fā)光元件112 ；一個(gè)耦合發(fā)光元件光信號時(shí)，產(chǎn)生光伏輸出的光伏二極管陣列113 ；一個(gè)接在繼電器輸出端子之間的常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管120 ；還包括，一個(gè)由光電三極管114組成的加速充電電路，其中，光電三極管114的發(fā)射極接輸出常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管120的柵極，集電極接在光伏二極管陣列113的第一端；一個(gè)由兩個(gè)PNP三極管、一個(gè)NPN三極管119和一個(gè)光電三極管118組成的加速泄放電路，其中，兩個(gè)PNP三極管具體為第一 PNP三極管116和第二 PNP三極管117，兩個(gè) PNP三極管的發(fā)射極共同連接于常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管120的柵極，兩個(gè)PNP三極管的集電極與NPN三極管119的基極連接在一起，第一 PNP三極管116的基極連接于光伏二極管陣列113的第一端，第二 PNP三極管117的基極連接于NPN三極管119的集電極， 光電三極管118的發(fā)射極連接于常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管120的源極，光電三極管 118的集電極連接于NPN管119的基極。這里，光電三極管114、118的基極懸空，經(jīng)光照后在集電結(jié)產(chǎn)生電子空穴對使晶體管導(dǎo)通。第二 PNP三極管117的基極和NPN三極管19的集電極相連，第二 PNP三極管 117的集電極與NPN三極管119的基極相連，這種連接方式利用閂鎖效應(yīng)的原理，可以形成電流的正反饋，在對常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管的柵電荷進(jìn)行泄放時(shí)，將形成快速的泄放通道。具體工作過程如下在輸入端111和Illa加一個(gè)正向壓降，發(fā)光二極管112處于工作狀態(tài)，光伏二極管陣列113接收光照后處于光伏輸出狀態(tài)，光電三極管114經(jīng)光照后處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)PNP三極管116發(fā)射結(jié)處于短路狀態(tài)，PNP三極管116截止。光伏二極管陣列113產(chǎn)生的光生電流從光伏二極管陣列陽極流出，經(jīng)光電三極管114向輸出場效應(yīng)晶體管120柵電容上充電，之后流回光伏二極管陣列113陰極。由于光電三極管118此時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，故NPN三極管119的發(fā)射結(jié)被短路，NPN三極管119截止，因而由PNP三極管 117和NPN三極管119組成的電路結(jié)構(gòu)不能發(fā)生閂鎖效應(yīng)，故光生電流將全部用于對輸出常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管柵電容進(jìn)行充電，此時(shí)整個(gè)充電電路的阻抗完全由光電三極管的導(dǎo)通電阻決定，因而其開啟延遲很小。
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當(dāng)輸入端電壓被取消，發(fā)光二極管112不再處于工作狀態(tài)，光伏二極管陣列113光伏輸出被取消，作用相當(dāng)于普通二極管的串聯(lián)形式。光電三極管114截止，處于高阻狀態(tài)。 此時(shí)電路的功能主要是對輸出常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管120的柵極電荷進(jìn)行泄放。 在泄放的初始階段由輸出金屬氧化物場效應(yīng)晶體管120柵極、PNP三極管116發(fā)射結(jié)、光伏二極管陣列、到輸出常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管120源極121a的回路將被導(dǎo)通，發(fā)射結(jié)的導(dǎo)通使得PNP三極管116處于導(dǎo)通狀態(tài)。一旦PNP三極管116導(dǎo)通，則由輸出金屬氧化物場效應(yīng)晶體管120柵極、PNP三極管116、NPN三極管119的發(fā)射結(jié)到輸出常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管源極121a的回路將也被導(dǎo)通，此時(shí)將會(huì)有電流注入到NPN三極管119 的基極，其基極電流經(jīng)放大后產(chǎn)生的集電極電流又將作為PNP三極管117的基極電流使得 PNP三極管117導(dǎo)通，同理，PNP三極管117的集電極電流又作為NPN三極管119的基極電流被注入，這樣，PNP三極管117和NPN三極管119之間形成了類似于閂鎖效應(yīng)的電流正反饋。隨著輸出常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管120柵電荷的瀉放，柵源電壓不再能維持回路的導(dǎo)通，此時(shí)PNP三極管116截止，其產(chǎn)生的觸發(fā)電流被取消。但電路中的正反饋形成之后不依靠觸發(fā)電流也能維持，并且由于導(dǎo)通的電阻很低，所需維持其正反饋的常開型金屬氧化物場效應(yīng)管120的柵源電壓也很低，只需保證最小維持電壓(1. 5V左右)低于輸出常開型金屬氧化物場效應(yīng)管120的閾值電壓，則可使輸出金屬氧化物場效應(yīng)晶體管120柵電荷將以極快的速度泄放完畢。實(shí)施例二 如圖2所示，作為實(shí)施例一的一個(gè)優(yōu)選方式，這里，繼電器還包括一個(gè)電阻215，其中，電阻215連接在第一 PNP三極管216的集電極與第二 PNP三極管217的集電極之間。這里，電阻215的引入可減小來自輸出端電壓波動(dòng)所導(dǎo)致的觸發(fā)電流誤導(dǎo)通的幾率，并且電阻215的大小決定了由第一 PNP三極管216觸發(fā)的電流的大小。具體工作過程可參考實(shí)施例一。實(shí)施例三如圖3所示，作為實(shí)施例一的另一個(gè)優(yōu)選方式，這里，繼電器還包括一個(gè)電阻315， 電阻315連接在NPN三極管319的發(fā)射極與光電三極管318的發(fā)射極之間。這一變動(dòng)可以使得減小誤導(dǎo)通的同時(shí)，在泄放時(shí)通道的阻抗變大從而使下降沿的坡度變緩提高了抗噪聲的能力。具體工作過程也可參考實(shí)施例一。實(shí)施例四圖4為輸出常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管為兩個(gè)時(shí)的電路應(yīng)用方案。兩個(gè)常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管420、420a的源極相連，作為繼電器的第三輸出端子；兩個(gè)漏極分別作為繼電器的第一、第二輸出端子。這種電路結(jié)構(gòu)可以用在交流環(huán)境中，每半個(gè)電流周期只有其中一個(gè)金屬氧化物場效應(yīng)晶體管工作，具體工作過程也可參考實(shí)施例一，不再進(jìn)行說明。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種固體繼電器，包括，一個(gè)接著繼電器輸入端子之間的發(fā)光元件；一個(gè)耦合發(fā)光元件光信號時(shí)，產(chǎn)生光伏輸出的光伏二極管陣列；一個(gè)或兩個(gè)接在繼電器輸出端子之間的常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管；其特征在于，還包括，一個(gè)由光電三極管組成的加速充電電路，其中，光電三極管的發(fā)射極接常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管的柵極，集電極接在光伏二極管陣列的第一端；一個(gè)由兩個(gè)PNP三極管、一個(gè)NPN三極管和一個(gè)光電三極管組成的加速泄放電路，其中，兩個(gè)PNP三極管具體為第一 PNP三極管和第二 PNP三極管，兩個(gè)PNP三極管的發(fā)射極共同連接于常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管的柵極，兩個(gè)PNP三極管的集電極與NPN三極管的基極連接在一起，第一 PNP三極管的基極連接于光伏二極管陣列的第一端，第二 PNP三極管的基極連接于NPN三極管的集電極，光電三極管的發(fā)射極連接于常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管的源極，光電三極管的集電極連接于NPN管的基極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繼電器，其特征在于，還包括一個(gè)電阻，所述電阻連接在所述第一 PNP三極管的集電極與第二 PNP三極管的集電極之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繼電器，其特征在于，還包括一個(gè)電阻，所述電阻連接在所述 NPN三極管的發(fā)射極與所述加速泄放電路的光電三極管的發(fā)射極之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的任一繼電器，其特征在于，接在繼電器輸出端子之間的常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管為兩個(gè)，其中，兩個(gè)常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管的源極相連，作為所述繼電器的第三輸出端子；兩個(gè)漏極分別作為所述繼電器的第一、第二輸出端子。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的繼電器，其特征在于，常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管為N溝道增強(qiáng)型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固體繼電器，包括，一個(gè)發(fā)光元件；一個(gè)光伏二極管陣列；一個(gè)或兩個(gè)接在繼電器輸出端子之間的常開型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管；還包括，一個(gè)由光電三極管組成的加速充電電路，一個(gè)由兩個(gè)PNP三極管、一個(gè)NPN三極管和一個(gè)光電三極管組成的加速泄放電路。本發(fā)明主要是通過對輸出金屬氧化物場效應(yīng)晶體管柵電容進(jìn)行充電放電來實(shí)現(xiàn)，這種電路結(jié)構(gòu)達(dá)到了對繼電器的快速導(dǎo)通及關(guān)斷的目的，并且引入了光電三極管，在對輸出金屬氧化物場效應(yīng)晶體管柵充電時(shí)，電路處于光照狀態(tài)下，加速充電電路的光電三極管處于低阻狀態(tài)。本發(fā)明的繼電器結(jié)構(gòu)簡單，在不增加接通時(shí)間的同時(shí)，提高了抗干擾能力。
文檔編號H03K17/56GK102394614SQ20111033384
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者吳浩然, 張有潤, 張波 申請人:電子科技大學(xué)