專利名稱：一種具有輸出反饋的電磁耦合固態(tài)繼電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)繼電器，尤其是涉及一種具有輸出狀態(tài)反饋的固態(tài)繼電器。
背景技術(shù)：
固態(tài)繼電器(Solid State Relay，SSR)是一種由固態(tài)電子元件所組成的開關(guān)裝置。固態(tài)繼電器利用如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體元件的開關(guān)特性，來達(dá)到接通和斷開電路的目的，而又能做到無觸點(diǎn)、無火花，所以又被稱為“無觸點(diǎn)開關(guān)”。相較于以往的線圈簧片觸點(diǎn)式繼電器(Electro-MechanicalRelay，EMR)，固態(tài)繼電器不依賴可動的機(jī)械零件，其運(yùn)作中也沒有任何機(jī)械動作，因此具有如體積小、反應(yīng)快、可靠度高、壽命長(固態(tài)繼電器的開關(guān)次數(shù)可達(dá)108～109次，比一般線圈簧片觸點(diǎn)式繼電器的106次高出百倍)、無動作噪聲及突波干擾、耐震、耐機(jī)械沖擊、具有良好的防潮防霉防氧化等特性。此外，固態(tài)繼電器的控制信號所需的功率極低，可以用很小的直流電流控制很大的交流電流，因此固態(tài)繼電器可以安全地用在數(shù)字系統(tǒng)的控制輸出界面。
如圖1所示，現(xiàn)有的固態(tài)繼電器1具有一組系統(tǒng)側(cè)端子以與數(shù)字系統(tǒng)銜接、以及一組輸出側(cè)端子以與被控制的外部系統(tǒng)或設(shè)備連接。固態(tài)繼電器1的內(nèi)部是以一光耦合器10作為隔離裝置，將系統(tǒng)側(cè)與輸出側(cè)在電氣上予以隔離，但系統(tǒng)側(cè)的數(shù)字控制信號仍可以透過此隔離裝置傳遞給輸出側(cè)。系統(tǒng)側(cè)的驅(qū)動電路12推動固態(tài)繼電器1的光耦合器10的發(fā)光元件(圖中的發(fā)光二極管11)發(fā)出光信號(由圖中的箭頭代表)，經(jīng)光耦合器10的感光元件(圖中的光電晶體13)接收后，產(chǎn)生一代表ON與OFF狀態(tài)的高低電位或大小電流，推動輸出側(cè)的控制電路14來控制負(fù)載16(亦即被控制的外部系統(tǒng)或設(shè)備)。
隔離裝置其實(shí)就是一種能量的轉(zhuǎn)換裝置。除了前述采用光耦合器的光電(photovoltaic)轉(zhuǎn)換裝置外，其他可能的方式還有轉(zhuǎn)換熱能與電能的熱電(thermoelectric)轉(zhuǎn)換裝置、轉(zhuǎn)換震動與電能的壓電(piezoelectic)轉(zhuǎn)換裝置，以及采用電磁(electromagnetic)轉(zhuǎn)換裝置。最常見的一種電磁轉(zhuǎn)換裝置就是變壓器(transformer)。
前述現(xiàn)有的固態(tài)繼電器的缺點(diǎn)是，除了數(shù)字系統(tǒng)的內(nèi)部電源15外，輸出側(cè)需要額外設(shè)置另一內(nèi)部電源17。此外，輸出側(cè)的控制電路通常只能作為控制負(fù)載電流的電流源(current source)或電流汲(current sink)二者之一，在應(yīng)用上的彈性較低。
此外，現(xiàn)有的固態(tài)繼電器還有一個(gè)重大的缺點(diǎn)，就是只提供從系統(tǒng)側(cè)到輸出側(cè)的單向信號傳輸。而由于系統(tǒng)側(cè)與輸出側(cè)的隔離，位于系統(tǒng)側(cè)的數(shù)字系統(tǒng)無法得知輸出側(cè)的狀態(tài)為何，例如輸出側(cè)的被控制的系統(tǒng)或設(shè)備有無正確與完整的依照控制信號動作。而要達(dá)到這個(gè)目的，就必須另外設(shè)置反饋電路，將輸出側(cè)的電氣狀態(tài)(如電壓、電流的大小、周期、頻率、以及輸出是斷路、短路、或過載等)反饋到系統(tǒng)側(cè)，以供數(shù)字系統(tǒng)監(jiān)測輸出側(cè)的狀態(tài)。而數(shù)字系統(tǒng)也因此需要增加輸入點(diǎn)來與反饋電路銜接。這些都會增加數(shù)字系統(tǒng)的配線難度與成本。
換言之，目前尚未有可以同時(shí)達(dá)到系統(tǒng)側(cè)與輸出側(cè)的隔離、數(shù)字控制信號的輸出、而又同時(shí)提供輸出狀態(tài)反饋監(jiān)測的固態(tài)繼電器。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種固態(tài)繼電器，可以同時(shí)提供系統(tǒng)側(cè)與輸出側(cè)的隔離、輸出代表開啟(ON)與關(guān)閉(OFF)的數(shù)字控制信號、與輸出狀態(tài)反饋到系統(tǒng)側(cè)三個(gè)功能。
本發(fā)明的另一目的是提供一種固態(tài)繼電器，其輸出側(cè)不需要額外設(shè)置電源，其輸出側(cè)的控制電路可以很方便的設(shè)置為控制負(fù)載電流的電流源或電流汲二者之一。
為達(dá)上述的目的，本發(fā)明提出一種固態(tài)繼電器，在系統(tǒng)側(cè)除了一組輸入端子外，還具有一個(gè)額外的反饋輸出端子。本發(fā)明的固態(tài)繼電器內(nèi)部是以電磁耦合裝置作為隔離裝置，此一電磁耦合裝置類似具有線圈繞組的變壓器，其具有至少一個(gè)系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件、以及至少兩個(gè)輸出側(cè)的感應(yīng)元件，而這些感應(yīng)元件的磁通(magnetic flux)是彼此貫通的。系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件會將系統(tǒng)側(cè)的電信號，經(jīng)過電磁感應(yīng)的作用，使輸出側(cè)的感應(yīng)元件產(chǎn)生相對應(yīng)的電信號，反之亦然。
本固態(tài)繼電器包含系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路、隔離系統(tǒng)側(cè)與輸出側(cè)的電磁耦合裝置、以及輸出側(cè)控制電路。系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路與電磁耦合裝置的系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件銜接，是接受數(shù)字系統(tǒng)的ON/OFF控制信號來開啟或關(guān)閉對系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件的驅(qū)動。電磁耦合裝置將系統(tǒng)側(cè)的電氣能量信號轉(zhuǎn)換傳送到輸出側(cè)，提供銜接在輸出側(cè)第一感應(yīng)元件的輸出側(cè)控制電路的工作電力能量。輸出側(cè)第二感應(yīng)元件則構(gòu)成一反饋電路，將輸出側(cè)的電氣狀態(tài)經(jīng)由電磁耦合反饋至系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件。系統(tǒng)側(cè)的驅(qū)動電路因此可以在其輸出的間隔期間，取樣系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件的電信號而得知輸出側(cè)的電氣狀態(tài)。
本固態(tài)繼電器的電磁耦合裝置可以具有更多的輸出側(cè)感應(yīng)元件、以及/或是系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件，以將其他輸出側(cè)的信號反饋至系統(tǒng)側(cè)。本固態(tài)繼電器并可推廣應(yīng)用到采用其他可提供雙向能量轉(zhuǎn)換的其他隔離裝置，而非以電磁耦合為限。
本發(fā)明的固態(tài)繼電器還可以進(jìn)一步包含一個(gè)輸出側(cè)保護(hù)電路，以提供輸出側(cè)回路的過載、短路、過壓等保護(hù)。輸出側(cè)保護(hù)電路還具有防止電磁噪聲干擾的功能。
下面將配合附圖以及具體實(shí)施例的詳細(xì)說明，對上述以及本發(fā)明的其他目的與優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)敘述。然而，應(yīng)當(dāng)可以了解所述附圖示僅僅是為解說本發(fā)明的精神而設(shè)，不應(yīng)視為本發(fā)明保護(hù)范圍的定義。有關(guān)本發(fā)明保護(hù)范圍的定義，請參照本發(fā)明的權(quán)利要求書的范圍。


圖1所示是一現(xiàn)有的以光耦合器作為隔離裝置的固態(tài)繼電器的示意圖；圖2a所示是本發(fā)明一第一實(shí)施例的示意圖；圖2b所示是本發(fā)明一第二實(shí)施例的示意圖；圖2c所示是本發(fā)明第二實(shí)施例的電路圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的固態(tài)繼電器最主要特征之一在于采用一可以提供從系統(tǒng)側(cè)到輸出側(cè)、以及從輸出側(cè)到系統(tǒng)側(cè)的雙向能量轉(zhuǎn)換裝置來隔離固態(tài)繼電器的系統(tǒng)側(cè)與輸出側(cè)。依據(jù)本發(fā)明，此一雙向能量轉(zhuǎn)換裝置至少具有一系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件、一輸出側(cè)第一感應(yīng)元件、以及一輸出側(cè)第二感應(yīng)元件。系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件將系統(tǒng)側(cè)的電信號轉(zhuǎn)換傳送到輸出側(cè)的感應(yīng)元件，反之輸出側(cè)的感應(yīng)元件亦會將輸出側(cè)的電信號轉(zhuǎn)換傳送到系統(tǒng)側(cè)。此一雙向能量轉(zhuǎn)換的例子就是電磁耦合。然而本發(fā)明的精神與運(yùn)作原理應(yīng)當(dāng)可以推廣運(yùn)用于其他同樣至少具有一系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件、一輸出側(cè)第一感應(yīng)元件、以及一輸出側(cè)第二感應(yīng)元件的雙向能量轉(zhuǎn)換裝置，而非以電磁耦合為限。然為了便于說明且不失一般性，以下的詳細(xì)說明均以電磁耦合為例來解釋本發(fā)明的精神、特征、與實(shí)施方式。
請注意到有關(guān)在固態(tài)繼電器中實(shí)施電磁耦合裝置的方法，可以采用低溫共燒陶瓷以積層技術(shù)完成，這種技術(shù)已是被動元件固態(tài)化的主要作法，常用于生產(chǎn)積層晶片型電感以取代傳統(tǒng)繞線式電感，而且還有無交調(diào)失真、串音干擾等優(yōu)點(diǎn)。由于本發(fā)明的標(biāo)的并非電磁耦合裝置的集成電路作法，而相關(guān)技術(shù)已是近年被動元件的主要研發(fā)重點(diǎn)，所以在此就不予贅述。簡言之，本發(fā)明的電磁耦合裝置是以一般集成電路的方法實(shí)施于固態(tài)繼電器中，而具有一系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件、一輸出側(cè)第一感應(yīng)元件、以及一輸出側(cè)第二感應(yīng)元件，且這些感應(yīng)元件的磁通是彼此貫通的，而能達(dá)到雙向的電磁能量轉(zhuǎn)換。由于其作用非常類似線圈繞組的變壓器，例如系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件即類似一次側(cè)的繞組，而輸出側(cè)第一、第二感應(yīng)元件則類似位于二次側(cè)的兩個(gè)繞組，所以在所附圖示中是以類似變壓器的方式呈現(xiàn)。
圖2a所示是本發(fā)明第一實(shí)施例的示意圖。如圖所示，本實(shí)施例的固態(tài)繼電器2至少包含電磁耦合裝置20、系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路22、以及輸出側(cè)控制電路24。隔離系統(tǒng)側(cè)與輸出側(cè)的電磁耦合裝置20至少具有位于系統(tǒng)側(cè)的系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21、以及同位于輸出側(cè)的輸出側(cè)第一感應(yīng)元件23、與輸出側(cè)第二感應(yīng)元件27。請注意到，從以下詳細(xì)說明應(yīng)當(dāng)可推知的是，本發(fā)明也可延伸應(yīng)用于具有更多系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件、以及更多輸出側(cè)感應(yīng)元件的電磁耦合裝置20。
電磁耦合裝置20的系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21的一端(以下稱系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21第一端)是與系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路22連接、另一端(以下稱系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21第二端)則經(jīng)由固態(tài)繼電器2的一個(gè)輸入端子(圖中標(biāo)示為接地)、與數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)部電源25的負(fù)極連接，而構(gòu)成從內(nèi)部電源25的正極、經(jīng)系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路22、再經(jīng)系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21、而到內(nèi)部電源25的負(fù)極的回路。其中，數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)部電源25的正負(fù)極的配置、以及系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路22與系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21的相對位置并不重要，比如說在另一實(shí)施例中，也可以是系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21的第二端與系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路22連接，而以系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21第一端與數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)部電源25的正極連接。重點(diǎn)在于系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路22與系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21串接于數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)部電源25的正負(fù)極之間。
系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路22是由本固態(tài)繼電器的二個(gè)輸入端子(圖中標(biāo)示為“數(shù)字控制信號”以及接地)接受數(shù)字系統(tǒng)所輸出的ON/OFF數(shù)字控制信號來開啟或關(guān)閉對電磁耦合裝置20的系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21的驅(qū)動。系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路22主要包含一開關(guān)裝置221、一開關(guān)控制裝置223、以及一反饋取樣裝置225。開關(guān)裝置221是一電子開關(guān)，其具有三個(gè)端子，在本實(shí)施例中，其中的電流輸出端與系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21的第一端連接、一電流輸入端與數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)部電源25的正極連接、另一個(gè)控制端則與開關(guān)控制裝置223的輸出連接，以控制內(nèi)部電源25是否得以經(jīng)由開關(guān)裝置221的電流輸入、電流輸出端施加于系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21。同樣地，根據(jù)內(nèi)部電源25的正負(fù)極的配置、以及系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路22與系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21的相對位置的不同，開關(guān)裝置221的連接方式也會有所不同。其重點(diǎn)在于電流是流經(jīng)由開關(guān)裝置221的電流輸入端、電流輸出端與系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21串聯(lián)的路徑。
在本實(shí)施例中，固態(tài)繼電器2另外還具有震蕩器(oscillator)(未圖示)所產(chǎn)生的周期性的脈沖信號(圖中標(biāo)示為“周期性脈沖信號”)。當(dāng)數(shù)字控制信號為ON時(shí)，開關(guān)控制裝置223使周期性的脈沖信號輸出到開關(guān)裝置221，而使開關(guān)裝置221發(fā)生周期性的導(dǎo)通與斷路。當(dāng)開關(guān)裝置221是導(dǎo)通時(shí)，電流流經(jīng)系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21，系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21(也是一個(gè)電感)負(fù)責(zé)儲存能量；當(dāng)開關(guān)裝置221是斷路時(shí)，電流不會流經(jīng)系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21，系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21所儲存的能量會通過電磁感應(yīng)釋放到輸出側(cè)。在本實(shí)施例中，震蕩器電路是由數(shù)字系統(tǒng)所提供，但在其他實(shí)施例中，震蕩器電路也可以固態(tài)繼電器內(nèi)部的一部份。因?yàn)檎鹗幤麟娐窞橐话闳怂熘?，在此就不多贅述?br> 反饋取樣裝置225與系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21并聯(lián)，經(jīng)由固態(tài)繼電器2的一個(gè)系統(tǒng)側(cè)輸出端子(在圖中標(biāo)示為“反饋輸出”)，供數(shù)字系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻來取樣由輸出側(cè)反饋的信號。相關(guān)的細(xì)節(jié)后續(xù)會進(jìn)一步詳述。
在本實(shí)施例的輸出側(cè)，固態(tài)繼電器2提供二個(gè)輸出端子以與負(fù)載(亦即本固態(tài)繼電器所銜接的被控制系統(tǒng)或設(shè)備)26串聯(lián)。外部電源29的正極，經(jīng)由負(fù)載26、經(jīng)由輸出側(cè)第二感應(yīng)元件27、以及輸出側(cè)控制電路24、外部電源29的負(fù)極而構(gòu)成一以本實(shí)施例的輸出側(cè)為電流汲的負(fù)載回路(如虛線所示)。請注意到輸出側(cè)第二感應(yīng)元件27因此構(gòu)成一供負(fù)載電流Io流經(jīng)的反饋電路，有關(guān)的細(xì)節(jié)下面還會進(jìn)一步說明。另外也請注意到負(fù)載26也可以是位于圖2a中外部電源29的負(fù)極與輸出側(cè)控制電路24之間虛線方格的位置而構(gòu)成一以本實(shí)施例的輸出側(cè)為電流源的負(fù)載回路。另外視外部電源29的極性配置，負(fù)載電流Io的方向也可以是相反的。另外，外部電源29所提供的、和負(fù)載電流Io也可以是交替電流。
輸出側(cè)控制電路24主要包含一開關(guān)裝置241、以及一開關(guān)控制裝置243。開關(guān)裝置241是一電子開關(guān)，其具有三個(gè)端子，在此實(shí)施例中，其中的電流輸入端與輸出側(cè)第二感應(yīng)元件27的一端連接(以下稱為輸出側(cè)第二感應(yīng)元件27的第二端)、電流輸出端與外部電源29的負(fù)極連接、另一個(gè)控制端則與開關(guān)控制裝置243的輸出連接。開關(guān)裝置241因開關(guān)控制裝置243所輸出的控制電壓的存在與否而導(dǎo)通與斷路，進(jìn)而控制負(fù)載回路為導(dǎo)通或斷路。同樣地，視外部電源29的正負(fù)極、以及負(fù)載的配置、開關(guān)裝置241的連接方式也會有所不同。其重點(diǎn)在于電流是流經(jīng)開關(guān)裝置241的電流輸入端、電流輸出端與負(fù)載26串聯(lián)的路徑。
本實(shí)施例的運(yùn)作方式說明如下。首先在系統(tǒng)側(cè)，數(shù)字系統(tǒng)輸出的數(shù)字控制信號為ON時(shí)，經(jīng)由開關(guān)控制裝置223致使周期性的脈沖信號施加于開關(guān)裝置221。接著，開關(guān)裝置221因周期性的脈沖信號的作用而產(chǎn)生周期性的導(dǎo)通與斷路，數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)部電源25因而輸出周期性的電流經(jīng)過系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21。接著，由于電磁耦合裝置20的電磁耦合，系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21的周期性電流在輸出側(cè)第一感應(yīng)元件23產(chǎn)生相應(yīng)的周期性電壓。輸出側(cè)第一感應(yīng)元件23的周期性電壓驅(qū)動開關(guān)控制裝置243使其輸出適當(dāng)?shù)目刂齐妷航o開關(guān)裝置241，致使開關(guān)裝置241導(dǎo)通而形成完整的負(fù)載回路。當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)輸出的數(shù)字控制信號為OFF時(shí)，經(jīng)過相同的運(yùn)作原理，輸出側(cè)的開關(guān)裝置241會被斷路而使負(fù)載回路成為斷路，其中過程就不再細(xì)述。
請注意到當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)輸出的數(shù)字控制信號為ON而在輸出側(cè)形成完整的負(fù)載回路時(shí)，負(fù)載電流Io同時(shí)流經(jīng)輸出側(cè)第二感應(yīng)元件27。另外也請注意到，系統(tǒng)側(cè)的開關(guān)裝置221因周期性的脈沖信號的作用而有周期性的導(dǎo)通與斷路。當(dāng)系統(tǒng)側(cè)的開關(guān)裝置221在周期性的導(dǎo)通與斷路中處于斷路狀態(tài)時(shí)，不會有電流從內(nèi)部電源25流經(jīng)系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21，但是流經(jīng)輸出側(cè)第二感應(yīng)元件27的負(fù)載電流Io經(jīng)由電磁耦合裝置20的電磁耦合，會在系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21的兩端感應(yīng)產(chǎn)生一相應(yīng)的電位差。數(shù)字系統(tǒng)因此可以利用這一物理現(xiàn)象，在周期性的脈沖信號導(dǎo)致系統(tǒng)側(cè)的開關(guān)裝置221處于斷路狀態(tài)時(shí)，通過反饋取樣裝置225取樣系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21兩端的電位差而得知輸出側(cè)的負(fù)載電流Io。請注意到，開關(guān)控制裝置223的輸出也可以額外連接到反饋取樣裝置225，以便讓周期性的脈沖信號控制反饋取樣裝置225在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻進(jìn)行取樣，但為了簡化起見，這樣的連接在附圖中沒有繪出。換言之，本實(shí)施例僅通過增加電磁耦合裝置一組輸出側(cè)感應(yīng)元件，即可達(dá)成輸出的反饋。輸出側(cè)第二感應(yīng)元件27的設(shè)置另有一個(gè)附加的好處，就是當(dāng)負(fù)載電流大時(shí)，驅(qū)動開關(guān)裝置241的控制電壓或電流也會隨之增加，而有使開關(guān)裝置241阻抗降低的效果。
圖2b所示是本發(fā)明第二實(shí)施例的示意圖。如圖所示，本實(shí)施例的固態(tài)繼電器3與第一實(shí)施例完全相同，但在負(fù)載回路上增加設(shè)置了一個(gè)保護(hù)電路28，以提供輸出短路的保護(hù)與負(fù)載電流的過載保護(hù)。保護(hù)電路28包含一個(gè)電流檢測裝置283、以及一個(gè)保護(hù)開關(guān)裝置281。電流檢測裝置283直接串聯(lián)在負(fù)載回路上以輸出一與負(fù)載電流Io相對應(yīng)的電信號給保護(hù)開關(guān)裝置281。保護(hù)開關(guān)裝置281是一電子開關(guān)，其具有三個(gè)端子，在本實(shí)施例中，其中的電流輸入端與開關(guān)裝置241的控制端連接、一電流輸出端與外部電源29的負(fù)極連接、另一個(gè)控制端則與電流檢測裝置283的輸出連接。當(dāng)負(fù)載回路短路或負(fù)載電流Io過載時(shí)，電流檢測裝置283輸出相對應(yīng)的信號給保護(hù)開關(guān)裝置281的控制端使其導(dǎo)通，進(jìn)而使輸出側(cè)開關(guān)控制裝置243輸出給開關(guān)裝置241的控制電壓或電流無法施加于開關(guān)裝置241的控制端，開關(guān)裝置241因而成為斷路的狀態(tài)，而使負(fù)載回路成為斷路而達(dá)到保護(hù)的目的。請注意到，本說明書為方便解說起見，將輸出側(cè)保護(hù)電路28與控制電路24分開來描述，但在實(shí)際實(shí)施時(shí)，某些實(shí)施例其實(shí)將兩者合并在同一個(gè)電路里。
這一保護(hù)動作，由于會導(dǎo)致反饋到系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21兩端的電位差的降低，因此也可以被數(shù)字系統(tǒng)從反饋輸出端子偵測到輸出側(cè)是否有發(fā)生保護(hù)動作。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施方式，圖2c所示是本發(fā)明第二實(shí)施例的電路圖。如圖所示，系統(tǒng)側(cè)開關(guān)裝置221是由一MOSFET晶體管所構(gòu)成的電子開關(guān)，具有三個(gè)端子，其源極(電流輸入極)與內(nèi)部電源25的正極連接、漏極(電流輸出極)與系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件21的第一端連接、而柵極(電流控制極)則與開關(guān)控制裝置223的輸出連接。請注意，電子開關(guān)裝置221非以MOSFET晶體管為限，其他類似的具有開關(guān)功能的電子元件也可以適用。開關(guān)控制裝置223是主要包含一雙輸入的AND邏輯閘的邏輯電路。開關(guān)控制裝置223也非以AND邏輯閘為限，其他具類似功能的邏輯電路也可以適用。反饋取樣裝置225基本上是由一二極管、一電阻器、與一電容器所構(gòu)成的低通濾波器(low pass filter)。
在輸出側(cè)，開關(guān)控制裝置243主要是由一二極管、一電阻器、與一電容器所構(gòu)成的能量變換電路。在系統(tǒng)側(cè)的開關(guān)裝置221的周期性導(dǎo)通或斷路中，當(dāng)系統(tǒng)側(cè)的開關(guān)裝置221處于斷路時(shí)，受電磁耦合裝置20感應(yīng)、儲存于輸出側(cè)第一感應(yīng)元件23的能量，會依照二極管的方向?qū)﹄娙萜鞒潆娹D(zhuǎn)而儲存于電容器中，進(jìn)而成為導(dǎo)通輸出側(cè)開關(guān)裝置241的能量(控制電壓)。輸出側(cè)開關(guān)裝置241也是由一MOSFET晶體管所構(gòu)成，電流檢測裝置283是一電流轉(zhuǎn)電壓元件(在本例中為一電阻器)，保護(hù)開關(guān)裝置281則是一雙極(bipolar)晶體管(電流輸入極為其集極、電流輸出極為其射極、電流控制極為其基極)。在其他實(shí)施例中，電流檢測裝置283亦可是一電壓轉(zhuǎn)電流元件以配合電流驅(qū)動的保護(hù)開關(guān)裝置。
由圖2c可以看出，本發(fā)明僅需要相當(dāng)簡單的電子元件與架構(gòu)，即可達(dá)成現(xiàn)有技術(shù)中需要復(fù)雜電路才能同時(shí)提供的系統(tǒng)側(cè)與輸出側(cè)的隔離、輸出代表開啟與關(guān)閉的數(shù)字控制信號、與輸出狀態(tài)的反饋監(jiān)測三個(gè)功能。有關(guān)圖2c的運(yùn)作方式，在解釋圖2b的第二實(shí)施例時(shí)已做說明，且各裝置的運(yùn)作原理均為本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知，故不再贅述。不過需要注意的是各元件的選擇是彼此關(guān)聯(lián)的。比如說，周期性脈沖信號的頻率愈高，作為開關(guān)裝置221的MOSFET晶體管的反應(yīng)速度也要愈快，而反饋取樣裝置225的速率也要更快。而周期性脈沖信號的頻率愈高，轉(zhuǎn)換到輸出側(cè)的能量就愈低，而輸出側(cè)的相關(guān)元件也因此要跟著調(diào)整。另外圖2a、2b、2c中部份細(xì)節(jié)為了簡化表示而在不影響可實(shí)施性下有所省略。
通過以上較佳具體實(shí)施例的詳述，是希望能更加清楚描述本發(fā)明的特征與精神，而并非以上述所揭露的較佳具體實(shí)施例來對本發(fā)明的保護(hù)范圍加以限制。相反地，其目的是希望能將各種改變及具相等性的安排涵蓋在本發(fā)明所欲申請的權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)繼電器，具有一系統(tǒng)側(cè)與一輸出側(cè)，該系統(tǒng)側(cè)以多個(gè)系統(tǒng)側(cè)端子與一數(shù)字系統(tǒng)連接，該輸出側(cè)以多個(gè)輸出側(cè)端子與一負(fù)載連接，其特征在于，該固態(tài)繼電器至少包含一電磁耦合裝置，該電磁耦合裝置至少包含磁通彼此貫通的一系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件、一輸出側(cè)第一感應(yīng)元件、以及一輸出側(cè)第二感應(yīng)元件，該系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件將其一電信號以電磁轉(zhuǎn)換方式于該輸出側(cè)第一感應(yīng)元件、該輸出側(cè)第二感應(yīng)元件感應(yīng)產(chǎn)生一相應(yīng)的電信號，反之亦然；一輸出側(cè)控制電路，與該多個(gè)輸出側(cè)端子連接，以與該負(fù)載串聯(lián)于一外部電源的正負(fù)極間而構(gòu)成一負(fù)載回路，該輸出側(cè)控制電路與該輸出側(cè)第一感應(yīng)元件并聯(lián)、并與該輸出側(cè)第二感應(yīng)元件串聯(lián)；以及一系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路，與該多個(gè)系統(tǒng)側(cè)端子連接，以接受該數(shù)字系統(tǒng)的一內(nèi)部電源驅(qū)動、以及該數(shù)字系統(tǒng)輸出的一數(shù)字控制信號，并提供給該數(shù)字系統(tǒng)一代表該負(fù)載回路一電氣狀態(tài)的一反饋信號，該系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路與該系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件并聯(lián)；其中，當(dāng)該數(shù)字系統(tǒng)輸出一代表ON的數(shù)字控制信號，該系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路致使該內(nèi)部電源周期的施加于該系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件，該輸出側(cè)第一感應(yīng)元件因此感應(yīng)產(chǎn)生的一相應(yīng)的電信號，該電信號驅(qū)動該輸出端控制電路，致使該負(fù)載回路導(dǎo)通；當(dāng)該數(shù)字系統(tǒng)輸出一代表OFF的數(shù)字控制信號，該系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路分離該內(nèi)部電源與該系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件，該輸出側(cè)第一感應(yīng)元件因此無法感應(yīng)產(chǎn)生電信號以驅(qū)動該輸出端控制電路，致使該負(fù)載回路成為斷路；以及，在該內(nèi)部電源周期的施加于該系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件的間隔期間，該負(fù)載回路的一電氣狀態(tài)經(jīng)由該輸出側(cè)第二感應(yīng)元件，于該系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件感應(yīng)產(chǎn)生一對應(yīng)信號，而由該系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路取樣產(chǎn)生該反饋信號。
2.如權(quán)利要求1所述的固態(tài)繼電器，其特征在于，所述系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路至少包含一開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置與該系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件、該內(nèi)部電源串聯(lián)；一開關(guān)控制裝置，該開關(guān)控制裝置接受該數(shù)字系統(tǒng)輸出的該數(shù)字控制信號、以及一脈沖信號以控制該開關(guān)裝置的周期性導(dǎo)通與斷路；以及一反饋取樣裝置，該反饋取樣裝置與該系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件并聯(lián)，該反饋取樣裝置通過在適當(dāng)時(shí)刻取樣該系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件以產(chǎn)生該反饋信號。
3.如權(quán)利要求2所述的固態(tài)繼電器，其特征在于，所述開關(guān)裝置是一電子開關(guān)，該電子開關(guān)具有一電流輸入極、一電流輸出極、一電流控制極，該電流輸入極與該電流輸出極與該系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件串聯(lián)于該內(nèi)部電源的正負(fù)極之間，該電流控制極與該開關(guān)控制裝置的輸出連接，以控制該電流輸入極與該電流輸出極的導(dǎo)通與斷路。
4.如權(quán)利要求2所述的固態(tài)繼電器，其特征在于，所述開關(guān)控制裝置是一邏輯電路，該邏輯電路以該數(shù)字系統(tǒng)輸出的該數(shù)字控制信號、以及該脈沖信號為輸入，其輸出與該開關(guān)裝置連接，該邏輯電路由該數(shù)字控制信號開啟與關(guān)閉該脈沖信號的輸出給該開關(guān)裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的固態(tài)繼電器，其特征在于，所述開關(guān)控制裝置的輸出與該反饋取樣裝置連接，致使該開關(guān)控制裝置輸出的該脈沖信號得以控制該反饋取樣裝置的取樣時(shí)刻。
6.如權(quán)利要求2所述的固態(tài)繼電器，其特征在于，所述反饋取樣裝置是一低通濾波器。
7.如權(quán)利要求1所述的固態(tài)繼電器，其特征在于，所述脈沖信號是由該數(shù)字系統(tǒng)經(jīng)由該多個(gè)系統(tǒng)側(cè)端子之一提供。
8.如權(quán)利要求1所述的固態(tài)繼電器，其特征在于，所述脈沖信號是由內(nèi)建于該固態(tài)繼電器內(nèi)的一震蕩電路提供。
9.如權(quán)利要求1所述的固態(tài)繼電器，其特征在于，所述輸出側(cè)控制電路至少包含一開關(guān)裝置，該開關(guān)裝置與該輸出側(cè)第二感應(yīng)元件、該負(fù)載、以及該外部電源串聯(lián)而構(gòu)成該負(fù)載回路；以及一開關(guān)控制裝置，該開關(guān)控制裝置與該輸出側(cè)第一感應(yīng)元件并聯(lián)，并接受該輸出側(cè)第一感應(yīng)元件感應(yīng)所生的一電信號的驅(qū)動，以控制該開關(guān)裝置的導(dǎo)通與斷路。
10.如權(quán)利要求9所述的固態(tài)繼電器，其特征在于，所述開關(guān)裝置是一電子開關(guān)，該電子開關(guān)具有一電流輸入極、一電流輸出極、一電流控制極，該電流輸入極與該電流輸出極與該輸出側(cè)第二感應(yīng)元件、該負(fù)載、該外部電源串聯(lián)，該電流控制極與該開關(guān)控制裝置的輸出連接，以控制該電流輸入極與該電流輸出極的導(dǎo)通與斷路。
11.如權(quán)利要求9所述的固態(tài)繼電器，其特征在于，所述開關(guān)控制裝置是一能量變換電路，該能量變換電路將該輸出側(cè)第一感應(yīng)元件感應(yīng)所生的能量儲存轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通該開關(guān)裝置的能量。
12.如權(quán)利要求9所述的固態(tài)繼電器，進(jìn)一步包含一保護(hù)電路，該保護(hù)電路至少包含一電流檢測裝置，該電流檢測裝置串聯(lián)于該負(fù)載回路上，以輸出一與負(fù)載回路電流相對應(yīng)的一電信號；以及一保護(hù)開關(guān)裝置，該保護(hù)開關(guān)裝置以該電流檢測裝置的該電信號為輸入，并與該開關(guān)控制裝置并聯(lián)，以控制該開關(guān)控制裝置輸出的一控制信號是否到達(dá)該開關(guān)裝置。
13.如權(quán)利要求12所述的固態(tài)繼電器，其特征在于，所述電流檢測裝置是一電流轉(zhuǎn)電壓元件或電流轉(zhuǎn)電流元件。
14.如權(quán)利要求12所述的固態(tài)繼電器，其特征在于，所述保護(hù)開關(guān)裝置是一電子開關(guān)，該電子開關(guān)具有一電流輸入極、一電流輸出極、一電流控制極，該電流輸入極、該電流輸出極系與該開關(guān)控制裝置并聯(lián)，該電流控制極系與該電流檢測裝置的輸出連接，以控制該電流輸入極與該電流輸出極的導(dǎo)通與斷路，進(jìn)而控制該該開關(guān)控制裝置輸出的一控制信號是否到達(dá)該開關(guān)裝置。
全文摘要
本發(fā)明提出一種以電磁耦合裝置來隔離系統(tǒng)側(cè)與輸出側(cè)且將輸出狀態(tài)反饋到系統(tǒng)側(cè)的固態(tài)繼電器。本固態(tài)繼電器主要包含系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路、電磁耦合裝置、以及輸出側(cè)控制電路。電磁耦合裝置至少具有系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件、輸出側(cè)第一感應(yīng)元件、輸出側(cè)第二感應(yīng)元件。系統(tǒng)側(cè)驅(qū)動電路與系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件銜接，接受數(shù)字系統(tǒng)的ON/OFF數(shù)字控制信號來開啟或關(guān)閉對系統(tǒng)側(cè)感應(yīng)元件的驅(qū)動。電磁耦合裝置的電磁耦合功能將系統(tǒng)側(cè)的驅(qū)動能量轉(zhuǎn)換傳送到輸出側(cè)第一感應(yīng)元件，提供輸出側(cè)控制電路的工作能量。輸出側(cè)第二感應(yīng)元件將輸出側(cè)電氣狀態(tài)，經(jīng)由電磁耦合功能反饋至系統(tǒng)側(cè)。
文檔編號H03K17/60GK101034886SQ20061005685
公開日2007年9月12日 申請日期2006年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月9日
發(fā)明者王存孝 申請人:展嘉科技股份有限公司