专利名称：一种具有输出反馈的电磁耦合固态继电器的制作方法
技术领域：
本发明涉及固态继电器，尤其是涉及一种具有输出状态反馈的固态继电器。
背景技术：
固态继电器(Solid State Relay，SSR)是一种由固态电子元件所组成的开关装置。固态继电器利用如开关三极管、双向可控硅等半导体元件的开关特性，来达到接通和断开电路的目的，而又能做到无触点、无火花，所以又被称为“无触点开关”。相较于以往的线圈簧片触点式继电器(Electro-MechanicalRelay，EMR)，固态继电器不依赖可动的机械零件，其运作中也没有任何机械动作，因此具有如体积小、反应快、可靠度高、寿命长(固态继电器的开关次数可达108～109次，比一般线圈簧片触点式继电器的106次高出百倍)、无动作噪声及突波干扰、耐震、耐机械冲击、具有良好的防潮防霉防氧化等特性。此外，固态继电器的控制信号所需的功率极低，可以用很小的直流电流控制很大的交流电流，因此固态继电器可以安全地用在数字系统的控制输出界面。
如图1所示，现有的固态继电器1具有一组系统侧端子以与数字系统衔接、以及一组输出侧端子以与被控制的外部系统或设备连接。固态继电器1的内部是以一光耦合器10作为隔离装置，将系统侧与输出侧在电气上予以隔离，但系统侧的数字控制信号仍可以透过此隔离装置传递给输出侧。系统侧的驱动电路12推动固态继电器1的光耦合器10的发光元件(图中的发光二极管11)发出光信号(由图中的箭头代表)，经光耦合器10的感光元件(图中的光电晶体13)接收后，产生一代表ON与OFF状态的高低电位或大小电流，推动输出侧的控制电路14来控制负载16(亦即被控制的外部系统或设备)。
隔离装置其实就是一种能量的转换装置。除了前述采用光耦合器的光电(photovoltaic)转换装置外，其他可能的方式还有转换热能与电能的热电(thermoelectric)转换装置、转换震动与电能的压电(piezoelectic)转换装置，以及采用电磁(electromagnetic)转换装置。最常见的一种电磁转换装置就是变压器(transformer)。
前述现有的固态继电器的缺点是，除了数字系统的内部电源15外，输出侧需要额外设置另一内部电源17。此外，输出侧的控制电路通常只能作为控制负载电流的电流源(current source)或电流汲(current sink)二者之一，在应用上的弹性较低。
此外，现有的固态继电器还有一个重大的缺点，就是只提供从系统侧到输出侧的单向信号传输。而由于系统侧与输出侧的隔离，位于系统侧的数字系统无法得知输出侧的状态为何，例如输出侧的被控制的系统或设备有无正确与完整的依照控制信号动作。而要达到这个目的，就必须另外设置反馈电路，将输出侧的电气状态(如电压、电流的大小、周期、频率、以及输出是断路、短路、或过载等)反馈到系统侧，以供数字系统监测输出侧的状态。而数字系统也因此需要增加输入点来与反馈电路衔接。这些都会增加数字系统的配线难度与成本。
换言之，目前尚未有可以同时达到系统侧与输出侧的隔离、数字控制信号的输出、而又同时提供输出状态反馈监测的固态继电器。
发明内容
因此，本发明的主要目的是提供一种固态继电器，可以同时提供系统侧与输出侧的隔离、输出代表开启(ON)与关闭(OFF)的数字控制信号、与输出状态反馈到系统侧三个功能。
本发明的另一目的是提供一种固态继电器，其输出侧不需要额外设置电源，其输出侧的控制电路可以很方便的设置为控制负载电流的电流源或电流汲二者之一。
为达上述的目的，本发明提出一种固态继电器，在系统侧除了一组输入端子外，还具有一个额外的反馈输出端子。本发明的固态继电器内部是以电磁耦合装置作为隔离装置，此一电磁耦合装置类似具有线圈绕组的变压器，其具有至少一个系统侧感应元件、以及至少两个输出侧的感应元件，而这些感应元件的磁通(magnetic flux)是彼此贯通的。系统侧感应元件会将系统侧的电信号，经过电磁感应的作用，使输出侧的感应元件产生相对应的电信号，反之亦然。
本固态继电器包含系统侧驱动电路、隔离系统侧与输出侧的电磁耦合装置、以及输出侧控制电路。系统侧驱动电路与电磁耦合装置的系统侧感应元件衔接，是接受数字系统的ON/OFF控制信号来开启或关闭对系统侧感应元件的驱动。电磁耦合装置将系统侧的电气能量信号转换传送到输出侧，提供衔接在输出侧第一感应元件的输出侧控制电路的工作电力能量。输出侧第二感应元件则构成一反馈电路，将输出侧的电气状态经由电磁耦合反馈至系统侧感应元件。系统侧的驱动电路因此可以在其输出的间隔期间，取样系统侧感应元件的电信号而得知输出侧的电气状态。
本固态继电器的电磁耦合装置可以具有更多的输出侧感应元件、以及/或是系统侧感应元件，以将其他输出侧的信号反馈至系统侧。本固态继电器并可推广应用到采用其他可提供双向能量转换的其他隔离装置，而非以电磁耦合为限。
本发明的固态继电器还可以进一步包含一个输出侧保护电路，以提供输出侧回路的过载、短路、过压等保护。输出侧保护电路还具有防止电磁噪声干扰的功能。
下面将配合附图以及具体实施例的详细说明，对上述以及本发明的其他目的与优点进行详细叙述。然而，应当可以了解所述附图示仅仅是为解说本发明的精神而设，不应视为本发明保护范围的定义。有关本发明保护范围的定义，请参照本发明的权利要求书的范围。
图1所示是一现有的以光耦合器作为隔离装置的固态继电器的示意图；图2a所示是本发明一第一实施例的示意图；图2b所示是本发明一第二实施例的示意图；图2c所示是本发明第二实施例的电路图。
具体实施例方式
本发明的固态继电器最主要特征之一在于采用一可以提供从系统侧到输出侧、以及从输出侧到系统侧的双向能量转换装置来隔离固态继电器的系统侧与输出侧。依据本发明，此一双向能量转换装置至少具有一系统侧感应元件、一输出侧第一感应元件、以及一输出侧第二感应元件。系统侧感应元件将系统侧的电信号转换传送到输出侧的感应元件，反之输出侧的感应元件亦会将输出侧的电信号转换传送到系统侧。此一双向能量转换的例子就是电磁耦合。然而本发明的精神与运作原理应当可以推广运用于其他同样至少具有一系统侧感应元件、一输出侧第一感应元件、以及一输出侧第二感应元件的双向能量转换装置，而非以电磁耦合为限。然为了便于说明且不失一般性，以下的详细说明均以电磁耦合为例来解释本发明的精神、特征、与实施方式。
请注意到有关在固态继电器中实施电磁耦合装置的方法，可以采用低温共烧陶瓷以积层技术完成，这种技术已是被动元件固态化的主要作法，常用于生产积层晶片型电感以取代传统绕线式电感，而且还有无交调失真、串音干扰等优点。由于本发明的标的并非电磁耦合装置的集成电路作法，而相关技术已是近年被动元件的主要研发重点，所以在此就不予赘述。简言之，本发明的电磁耦合装置是以一般集成电路的方法实施于固态继电器中，而具有一系统侧感应元件、一输出侧第一感应元件、以及一输出侧第二感应元件，且这些感应元件的磁通是彼此贯通的，而能达到双向的电磁能量转换。由于其作用非常类似线圈绕组的变压器，例如系统侧感应元件即类似一次侧的绕组，而输出侧第一、第二感应元件则类似位于二次侧的两个绕组，所以在所附图示中是以类似变压器的方式呈现。
图2a所示是本发明第一实施例的示意图。如图所示，本实施例的固态继电器2至少包含电磁耦合装置20、系统侧驱动电路22、以及输出侧控制电路24。隔离系统侧与输出侧的电磁耦合装置20至少具有位于系统侧的系统侧感应元件21、以及同位于输出侧的输出侧第一感应元件23、与输出侧第二感应元件27。请注意到，从以下详细说明应当可推知的是，本发明也可延伸应用于具有更多系统侧感应元件、以及更多输出侧感应元件的电磁耦合装置20。
电磁耦合装置20的系统侧感应元件21的一端(以下称系统侧感应元件21第一端)是与系统侧驱动电路22连接、另一端(以下称系统侧感应元件21第二端)则经由固态继电器2的一个输入端子(图中标示为接地)、与数字系统内部电源25的负极连接，而构成从内部电源25的正极、经系统侧驱动电路22、再经系统侧感应元件21、而到内部电源25的负极的回路。其中，数字系统内部电源25的正负极的配置、以及系统侧驱动电路22与系统侧感应元件21的相对位置并不重要，比如说在另一实施例中，也可以是系统侧感应元件21的第二端与系统侧驱动电路22连接，而以系统侧感应元件21第一端与数字系统内部电源25的正极连接。重点在于系统侧驱动电路22与系统侧感应元件21串接于数字系统内部电源25的正负极之间。
系统侧驱动电路22是由本固态继电器的二个输入端子(图中标示为“数字控制信号”以及接地)接受数字系统所输出的ON/OFF数字控制信号来开启或关闭对电磁耦合装置20的系统侧感应元件21的驱动。系统侧驱动电路22主要包含一开关装置221、一开关控制装置223、以及一反馈取样装置225。开关装置221是一电子开关，其具有三个端子，在本实施例中，其中的电流输出端与系统侧感应元件21的第一端连接、一电流输入端与数字系统内部电源25的正极连接、另一个控制端则与开关控制装置223的输出连接，以控制内部电源25是否得以经由开关装置221的电流输入、电流输出端施加于系统侧感应元件21。同样地，根据内部电源25的正负极的配置、以及系统侧驱动电路22与系统侧感应元件21的相对位置的不同，开关装置221的连接方式也会有所不同。其重点在于电流是流经由开关装置221的电流输入端、电流输出端与系统侧感应元件21串联的路径。
在本实施例中，固态继电器2另外还具有震荡器(oscillator)(未图示)所产生的周期性的脉冲信号(图中标示为“周期性脉冲信号”)。当数字控制信号为ON时，开关控制装置223使周期性的脉冲信号输出到开关装置221，而使开关装置221发生周期性的导通与断路。当开关装置221是导通时，电流流经系统侧感应元件21，系统侧感应元件21(也是一个电感)负责储存能量；当开关装置221是断路时，电流不会流经系统侧感应元件21，系统侧感应元件21所储存的能量会通过电磁感应释放到输出侧。在本实施例中，震荡器电路是由数字系统所提供，但在其他实施例中，震荡器电路也可以固态继电器内部的一部份。因为震荡器电路为一般人所熟知，在此就不多赘述。
反馈取样装置225与系统侧感应元件21并联，经由固态继电器2的一个系统侧输出端子(在图中标示为“反馈输出”)，供数字系统在适当的时刻来取样由输出侧反馈的信号。相关的细节后续会进一步详述。
在本实施例的输出侧，固态继电器2提供二个输出端子以与负载(亦即本固态继电器所衔接的被控制系统或设备)26串联。外部电源29的正极，经由负载26、经由输出侧第二感应元件27、以及输出侧控制电路24、外部电源29的负极而构成一以本实施例的输出侧为电流汲的负载回路(如虚线所示)。请注意到输出侧第二感应元件27因此构成一供负载电流Io流经的反馈电路，有关的细节下面还会进一步说明。另外也请注意到负载26也可以是位于图2a中外部电源29的负极与输出侧控制电路24之间虚线方格的位置而构成一以本实施例的输出侧为电流源的负载回路。另外视外部电源29的极性配置，负载电流Io的方向也可以是相反的。另外，外部电源29所提供的、和负载电流Io也可以是交替电流。
输出侧控制电路24主要包含一开关装置241、以及一开关控制装置243。开关装置241是一电子开关，其具有三个端子，在此实施例中，其中的电流输入端与输出侧第二感应元件27的一端连接(以下称为输出侧第二感应元件27的第二端)、电流输出端与外部电源29的负极连接、另一个控制端则与开关控制装置243的输出连接。开关装置241因开关控制装置243所输出的控制电压的存在与否而导通与断路，进而控制负载回路为导通或断路。同样地，视外部电源29的正负极、以及负载的配置、开关装置241的连接方式也会有所不同。其重点在于电流是流经开关装置241的电流输入端、电流输出端与负载26串联的路径。
本实施例的运作方式说明如下。首先在系统侧，数字系统输出的数字控制信号为ON时，经由开关控制装置223致使周期性的脉冲信号施加于开关装置221。接着，开关装置221因周期性的脉冲信号的作用而产生周期性的导通与断路，数字系统内部电源25因而输出周期性的电流经过系统侧感应元件21。接着，由于电磁耦合装置20的电磁耦合，系统侧感应元件21的周期性电流在输出侧第一感应元件23产生相应的周期性电压。输出侧第一感应元件23的周期性电压驱动开关控制装置243使其输出适当的控制电压给开关装置241，致使开关装置241导通而形成完整的负载回路。当数字系统输出的数字控制信号为OFF时，经过相同的运作原理，输出侧的开关装置241会被断路而使负载回路成为断路，其中过程就不再细述。
请注意到当数字系统输出的数字控制信号为ON而在输出侧形成完整的负载回路时，负载电流Io同时流经输出侧第二感应元件27。另外也请注意到，系统侧的开关装置221因周期性的脉冲信号的作用而有周期性的导通与断路。当系统侧的开关装置221在周期性的导通与断路中处于断路状态时，不会有电流从内部电源25流经系统侧感应元件21，但是流经输出侧第二感应元件27的负载电流Io经由电磁耦合装置20的电磁耦合，会在系统侧感应元件21的两端感应产生一相应的电位差。数字系统因此可以利用这一物理现象，在周期性的脉冲信号导致系统侧的开关装置221处于断路状态时，通过反馈取样装置225取样系统侧感应元件21两端的电位差而得知输出侧的负载电流Io。请注意到，开关控制装置223的输出也可以额外连接到反馈取样装置225，以便让周期性的脉冲信号控制反馈取样装置225在适当的时刻进行取样，但为了简化起见，这样的连接在附图中没有绘出。换言之，本实施例仅通过增加电磁耦合装置一组输出侧感应元件，即可达成输出的反馈。输出侧第二感应元件27的设置另有一个附加的好处，就是当负载电流大时，驱动开关装置241的控制电压或电流也会随之增加，而有使开关装置241阻抗降低的效果。
图2b所示是本发明第二实施例的示意图。如图所示，本实施例的固态继电器3与第一实施例完全相同，但在负载回路上增加设置了一个保护电路28，以提供输出短路的保护与负载电流的过载保护。保护电路28包含一个电流检测装置283、以及一个保护开关装置281。电流检测装置283直接串联在负载回路上以输出一与负载电流Io相对应的电信号给保护开关装置281。保护开关装置281是一电子开关，其具有三个端子，在本实施例中，其中的电流输入端与开关装置241的控制端连接、一电流输出端与外部电源29的负极连接、另一个控制端则与电流检测装置283的输出连接。当负载回路短路或负载电流Io过载时，电流检测装置283输出相对应的信号给保护开关装置281的控制端使其导通，进而使输出侧开关控制装置243输出给开关装置241的控制电压或电流无法施加于开关装置241的控制端，开关装置241因而成为断路的状态，而使负载回路成为断路而达到保护的目的。请注意到，本说明书为方便解说起见，将输出侧保护电路28与控制电路24分开来描述，但在实际实施时，某些实施例其实将两者合并在同一个电路里。
这一保护动作，由于会导致反馈到系统侧感应元件21两端的电位差的降低，因此也可以被数字系统从反馈输出端子侦测到输出侧是否有发生保护动作。
为进一步说明本发明的实施方式，图2c所示是本发明第二实施例的电路图。如图所示，系统侧开关装置221是由一MOSFET晶体管所构成的电子开关，具有三个端子，其源极(电流输入极)与内部电源25的正极连接、漏极(电流输出极)与系统侧感应元件21的第一端连接、而栅极(电流控制极)则与开关控制装置223的输出连接。请注意，电子开关装置221非以MOSFET晶体管为限，其他类似的具有开关功能的电子元件也可以适用。开关控制装置223是主要包含一双输入的AND逻辑闸的逻辑电路。开关控制装置223也非以AND逻辑闸为限，其他具类似功能的逻辑电路也可以适用。反馈取样装置225基本上是由一二极管、一电阻器、与一电容器所构成的低通滤波器(low pass filter)。
在输出侧，开关控制装置243主要是由一二极管、一电阻器、与一电容器所构成的能量变换电路。在系统侧的开关装置221的周期性导通或断路中，当系统侧的开关装置221处于断路时，受电磁耦合装置20感应、储存于输出侧第一感应元件23的能量，会依照二极管的方向对电容器充电转而储存于电容器中，进而成为导通输出侧开关装置241的能量(控制电压)。输出侧开关装置241也是由一MOSFET晶体管所构成，电流检测装置283是一电流转电压元件(在本例中为一电阻器)，保护开关装置281则是一双极(bipolar)晶体管(电流输入极为其集极、电流输出极为其射极、电流控制极为其基极)。在其他实施例中，电流检测装置283亦可是一电压转电流元件以配合电流驱动的保护开关装置。
由图2c可以看出，本发明仅需要相当简单的电子元件与架构，即可达成现有技术中需要复杂电路才能同时提供的系统侧与输出侧的隔离、输出代表开启与关闭的数字控制信号、与输出状态的反馈监测三个功能。有关图2c的运作方式，在解释图2b的第二实施例时已做说明，且各装置的运作原理均为本技术领域人员所熟知，故不再赘述。不过需要注意的是各元件的选择是彼此关联的。比如说，周期性脉冲信号的频率愈高，作为开关装置221的MOSFET晶体管的反应速度也要愈快，而反馈取样装置225的速率也要更快。而周期性脉冲信号的频率愈高，转换到输出侧的能量就愈低，而输出侧的相关元件也因此要跟着调整。另外图2a、2b、2c中部份细节为了简化表示而在不影响可实施性下有所省略。
通过以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的保护范围加以限制。相反地，其目的是希望能将各种改变及具相等性的安排涵盖在本发明所欲申请的权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种固态继电器，具有一系统侧与一输出侧，该系统侧以多个系统侧端子与一数字系统连接，该输出侧以多个输出侧端子与一负载连接，其特征在于，该固态继电器至少包含一电磁耦合装置，该电磁耦合装置至少包含磁通彼此贯通的一系统侧感应元件、一输出侧第一感应元件、以及一输出侧第二感应元件，该系统侧感应元件将其一电信号以电磁转换方式于该输出侧第一感应元件、该输出侧第二感应元件感应产生一相应的电信号，反之亦然；一输出侧控制电路，与该多个输出侧端子连接，以与该负载串联于一外部电源的正负极间而构成一负载回路，该输出侧控制电路与该输出侧第一感应元件并联、并与该输出侧第二感应元件串联；以及一系统侧驱动电路，与该多个系统侧端子连接，以接受该数字系统的一内部电源驱动、以及该数字系统输出的一数字控制信号，并提供给该数字系统一代表该负载回路一电气状态的一反馈信号，该系统侧驱动电路与该系统侧感应元件并联；其中，当该数字系统输出一代表ON的数字控制信号，该系统侧驱动电路致使该内部电源周期的施加于该系统侧感应元件，该输出侧第一感应元件因此感应产生的一相应的电信号，该电信号驱动该输出端控制电路，致使该负载回路导通；当该数字系统输出一代表OFF的数字控制信号，该系统侧驱动电路分离该内部电源与该系统侧感应元件，该输出侧第一感应元件因此无法感应产生电信号以驱动该输出端控制电路，致使该负载回路成为断路；以及，在该内部电源周期的施加于该系统侧感应元件的间隔期间，该负载回路的一电气状态经由该输出侧第二感应元件，于该系统侧感应元件感应产生一对应信号，而由该系统侧驱动电路取样产生该反馈信号。
2.如权利要求1所述的固态继电器，其特征在于，所述系统侧驱动电路至少包含一开关装置，该开关装置与该系统侧感应元件、该内部电源串联；一开关控制装置，该开关控制装置接受该数字系统输出的该数字控制信号、以及一脉冲信号以控制该开关装置的周期性导通与断路；以及一反馈取样装置，该反馈取样装置与该系统侧感应元件并联，该反馈取样装置通过在适当时刻取样该系统侧感应元件以产生该反馈信号。
3.如权利要求2所述的固态继电器，其特征在于，所述开关装置是一电子开关，该电子开关具有一电流输入极、一电流输出极、一电流控制极，该电流输入极与该电流输出极与该系统侧感应元件串联于该内部电源的正负极之间，该电流控制极与该开关控制装置的输出连接，以控制该电流输入极与该电流输出极的导通与断路。
4.如权利要求2所述的固态继电器，其特征在于，所述开关控制装置是一逻辑电路，该逻辑电路以该数字系统输出的该数字控制信号、以及该脉冲信号为输入，其输出与该开关装置连接，该逻辑电路由该数字控制信号开启与关闭该脉冲信号的输出给该开关装置。
5.如权利要求4所述的固态继电器，其特征在于，所述开关控制装置的输出与该反馈取样装置连接，致使该开关控制装置输出的该脉冲信号得以控制该反馈取样装置的取样时刻。
6.如权利要求2所述的固态继电器，其特征在于，所述反馈取样装置是一低通滤波器。
7.如权利要求1所述的固态继电器，其特征在于，所述脉冲信号是由该数字系统经由该多个系统侧端子之一提供。
8.如权利要求1所述的固态继电器，其特征在于，所述脉冲信号是由内建于该固态继电器内的一震荡电路提供。
9.如权利要求1所述的固态继电器，其特征在于，所述输出侧控制电路至少包含一开关装置，该开关装置与该输出侧第二感应元件、该负载、以及该外部电源串联而构成该负载回路；以及一开关控制装置，该开关控制装置与该输出侧第一感应元件并联，并接受该输出侧第一感应元件感应所生的一电信号的驱动，以控制该开关装置的导通与断路。
10.如权利要求9所述的固态继电器，其特征在于，所述开关装置是一电子开关，该电子开关具有一电流输入极、一电流输出极、一电流控制极，该电流输入极与该电流输出极与该输出侧第二感应元件、该负载、该外部电源串联，该电流控制极与该开关控制装置的输出连接，以控制该电流输入极与该电流输出极的导通与断路。
11.如权利要求9所述的固态继电器，其特征在于，所述开关控制装置是一能量变换电路，该能量变换电路将该输出侧第一感应元件感应所生的能量储存转换为导通该开关装置的能量。
12.如权利要求9所述的固态继电器，进一步包含一保护电路，该保护电路至少包含一电流检测装置，该电流检测装置串联于该负载回路上，以输出一与负载回路电流相对应的一电信号；以及一保护开关装置，该保护开关装置以该电流检测装置的该电信号为输入，并与该开关控制装置并联，以控制该开关控制装置输出的一控制信号是否到达该开关装置。
13.如权利要求12所述的固态继电器，其特征在于，所述电流检测装置是一电流转电压元件或电流转电流元件。
14.如权利要求12所述的固态继电器，其特征在于，所述保护开关装置是一电子开关，该电子开关具有一电流输入极、一电流输出极、一电流控制极，该电流输入极、该电流输出极系与该开关控制装置并联，该电流控制极系与该电流检测装置的输出连接，以控制该电流输入极与该电流输出极的导通与断路，进而控制该该开关控制装置输出的一控制信号是否到达该开关装置。
全文摘要
本发明提出一种以电磁耦合装置来隔离系统侧与输出侧且将输出状态反馈到系统侧的固态继电器。本固态继电器主要包含系统侧驱动电路、电磁耦合装置、以及输出侧控制电路。电磁耦合装置至少具有系统侧感应元件、输出侧第一感应元件、输出侧第二感应元件。系统侧驱动电路与系统侧感应元件衔接，接受数字系统的ON/OFF数字控制信号来开启或关闭对系统侧感应元件的驱动。电磁耦合装置的电磁耦合功能将系统侧的驱动能量转换传送到输出侧第一感应元件，提供输出侧控制电路的工作能量。输出侧第二感应元件将输出侧电气状态，经由电磁耦合功能反馈至系统侧。
文档编号H03K17/60GK101034886SQ20061005685
公开日2007年9月12日 申请日期2006年3月9日 优先权日2006年3月9日
发明者王存孝 申请人:展嘉科技股份有限公司