1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 无机械触点的继电器设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 继电器是一种控制器件，具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常用在自动控制电路中，充当用较小的电 流去控制较大电流的一种“自动开关”，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。传统的电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。通过常开、常闭触点的吸合与释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。因此不利于防爆，容易因电火花损坏。 本设计拟构建一种基于可控电力电子技器件的，无机械触点的，可与计算
2、机实现实时通信的继电器。本设计的输入部分应包含能反映一定输入变量（如电流、电压、温度光等）的感应机构；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有 对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。同时通过单片机控制，实现自动、遥控和监测。 关键字 ：继电器，触点，单片机 II No Mechanical Contact Relay Design Abstract Relay is a control device with control system (also known as the input circui
3、t) and the controlled system (also known as the output circuit),often used in automatic control circuit, as with the small current to control a larger current “automatic switch“， plays an automatic adjustment , safety protection, conversion circuitry and so on in the circuit.Generally traditional el
4、ectromagnetic relay is composed of core, coil, armature and reed contacts.Through the normally open, normally closed contact of the pull and release,so as to achieve the purpose turning on and cutting off in the circuit.Therefore not conducive to explosion-proof, easy to damage due to spark. The des
5、ign intends to build a relay that based on a controlled power electronics technology device, have no mechanical contacts, and can achieve real-time communication with the computer .The design of the input should be included the sensor body to reflect a certain part of the input variables (such as cu
6、rrent, voltage, temperature, light, etc.);must have the the implementing agencies (output part) to accused “pass“ and “off“ of the charged circuit.Between the input part and output part in the relay,also have the body parts (drive part) coupling isolation, processing of the input and driver the outp
7、ut part.At the same time through MCU control, to achieve automatic, remote control and monitoring. Keywords： Relays, contacts, SCM III 目录 摘 要 . I Abstract. 错误 !未定义书签。 1 绪论 . 1 1.1无机械触点继电器的来源 . 1 1.2无机械触点继电器的意义 . 1 1.3无机械触点继电器的国内外发展现状 . 2 1.4无机械触点继电器研究 的主要内容 . 2 2无机械触点继电器的方案设计与总体设计 . 3 2.1 无机械触点继电器的方
8、案设计 . 3 2.1 无机械触点继电器的总体设计 . 4 1设计的技术线路 . 4 2各部分功能简介 . 4 3主电路的设计 . 5 3.1主触点中 IGBT 的选型 . 5 3.2主触点中 IGBT 的驱动 . 7 1M 57962AL 主要特点 . 7 2驱动模块 M57962AL 引脚功能、用法 . 8 3M57962AL的内部结构和工作原理 . 9 4M57962AL典型应用 电路以及波形 . 11 5功能分析 . 13 3.3主触点中三个 IGBT的接法 . 14 3.4 IGBT导通和关断状态分析 . 15 4 控制电路的设计 . 16 4.1辅助触点中 MOSFET 的选型 .
9、 16 4.2辅助触点中 MOSFET 的驱动 . 18 4.3辅助触点中两个 MOSFET的接法 . 19 4.4MOSFET导通和关断分析 . 20 5 采样电路的设计 . 20 5.1电压采样电路 . 22 5.2电流采样电路 . 23 5.3温度采样电路 . 24 6 AC-DC变换器设计 . 25 6.1单 相桥式整流电路的结构及工作原理 . 25 6.2 单相桥式整流的主要参数及其计算 . 25 IV 6.3滤波电路选择 . 27 7 单片机模块设计 . 29 7.1单片机主要功能介绍 . 29 1主要特性 . 29 2管脚说明 . 30 3振荡器特性 . 32 4芯片擦除 . 3
10、2 5结构特点 . 32 7.2电路状态 . 33 7.3流程图和程序 . 34 1流程图 . 34 2程序 . 35 结论 . 36 参考文献 . 37 致谢 . 39 附录 . 40 附录图 1 . 40 附录图 2 . 41 1 绪论 1.1 无机械触点继电器 的来源 无机械触点继电器 (SOLIDSTATE RELAYS)，简写成 “SSR” ，是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件 (如开关三极管、双向可控硅等半导体器件 )的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为 “ 无触点开关 ” 。无机械触点继电器是国外 70年代发展起来的一种
11、新型的与逻辑电路及半导体电路兼容的无机械触点继电器 , 它是传统的电磁式继电器及电磁式接触器的更新换代产品。无机械触点继电器的绝缘及开关功能完全依 靠电、磁及半导体的光电特性和电子元件来完成。 1.2 无机械触点继电器的意义 传统电磁继电器的线圈是一个感性负载 , 它具有储存磁场能量的功能。由于感性负载在电压的有限值条件下 ,电感电流不能跃变。因此 , 该线圈通断电流时 , 在开始几微秒内不改变瞬态的形式 , 加之存在分布电容 , 电磁继电器线圈的电感与分布电容的比值较大 , 当线圈的电流截断时 , 带铁芯线圈两端产生很高的反电动势 , 产生具有陡峭前沿的大幅度浪涌电压 , 约 3ms 内 ,
12、 线圈两端电压近似上升到电源电压的多倍左右 , 然后按线圈感抗、分布电容和电路电阻所决定 的速率下降到零。由于电磁继电器的浪涌电压具有陡峭的前沿 , 它能产生强烈的冲击和激励 , 因此它是引起瞬态干扰的原因之一。 另外 , 电磁继电器的触点是一个控制开关 , 在闭合或断开还会产生电弧。由于开关在通断时 , 电路中电流的变化率 di/ dt 很大 , 从而产生一个幅值很大的电磁脉冲。同时 , 如果回路中有感性元件 , 则在元件两端产生幅值很高的瞬时电压脉冲。且开关在闭合时 , 机械触点要反复跳几次才能安全闭合 ; 断开时 , 所产生的尖峰电压在触点两端形成的电弧 , 能熄灭而又再起弧 , 重复几
13、次才能断开。由于触点的反跳和产 生电弧 , 电流的瞬变不只一次而是多次。整个转换瞬态电压实际是一组脉冲群。一般情况下 , 其反跳和电弧产生的间隔为几毫秒 , 电压尖峰持续时间约为几十微秒 , 这种短脉冲对电路能产生较严重的干扰 , 对数字信号系统可能造成几个波特的信息错误。 因此 , 对于某些要求较高、系统小型化且集成度高的电子电路 , 传统电磁继电器的抗干扰性 , 抗振动性以及电磁兼容性等均难以达到要求。无机械触点继电器具有可靠性高、耐振动、速度快、无噪音、安全性好 , 对外界干扰小 , 电磁兼容性好、灵敏度高等优点而被广泛应用。 毕业设计（论文）题目 2 1.3 无机械触点继电器 的国内外
14、发展现状 SSR普遍采用扁平型外形、双列直插或表面安装引线。这种封装更适宜印制板的安装格局和与其它元器件的高度协调。智能化是 SSR的又一优势。目前， 国外各种军用和民用飞机的电力电子配电平台已普遍使用 SSPC。 国外采用抗辐射加固 MOSFET的 SSR， 其总剂量普遍达到 100KRad (Si)， 抗单粒子能力达 8.2MeV (兆电子伏 )。这些 SSR正在代替 EMR用于各项宇航任务， 比如卫星精确定位的反作用轮和扭矩棒的控制， 以及中层空间宇宙飞船和深空控测器的各种摄像仪供电， 此外， 还可 用于控制深空探测器太阳能阵列的定向离子发动机， 比如用于火星探测所使用的电动车等。 SS
15、R输出电路可承载的信号频率一般限于几个 kHz， 先进的通信用 SSR已可适用 40 kHz2.8MHz的信号频率， 可满足程控交换机的要求， 最先进的 SSR已通过码速率 3 GBit/s的数据传输的试验认证。但总体上， SSR的适用频率仍低于目前普遍使用的 PIN二极管和高频 FET， 低于射频机电继电器 (开关 ) 和 MEMS (微机电系统 ) 继电器 (开关 )。 SSR容易因浪涌电压击穿而失效， 所以使用中一定要采取措施抑制可能产生的 各种瞬态尖峰电压。 据 2004年 12月美国威尔 (Wyle) 试验室的报告， 美国能提供航天用固体继电器的厂商有 11家， 其中多家可按 MIL
16、-PRF-83534提供 K级 (宇航级 ) 固体继电器。 2006年出版的美国工程师继电器手册 (第 6版 ) “第 10章军用和宇航继电器” 反复强调在各种飞机的综合配电平台、舰用配电系统和制导导弹、辐射环境中长期工作的卫星中、深空探测器、军用机器人中的 SSR都正在 逐步取代EMR。 据此可以预计 ， 在未来十年左右的时间里 ， 在美国 ， SSR将占据军用 、自动测试设备和工业自动 化用继电器的主导地位 。 在我国， SSR已成功应用于各种军工领域，军用 SSR是我国应用最为成功的新兴元器件之一。此外， SSR也在许多自动测试和工业控制领域取得了成功的应用。虽然目前我国军用 SSR只占
17、军用继电器销售额的 10%左右， 但笔者预计， 在我国军用装备、自动测试设备和工业自动化控制等高科技、高可靠、高安全的生产资料领域， SSR同样将逐步取代 EMR， 并会在二十年内上升到这些领域中继电器的主导地位。 1.4 无机械触点继电器研究的主要内容 本设计拟构建一种基于可控电力电子技器件的，无机 械触点的，可与计算机实现实时通信的继电器。本设计主要包括主电路设计、控制电路设计、 AC-DC变换器设计、采样电路设计、控制单元单片机模块设计和软件程序设计。 毕业设计（论文）题目 3 2 无机械触点继电器方案设计与总体设计 2.1 无机械触点继电器 的方案设计 方案设计框图如下图 1 图 1
18、无机械触点继电器的设计方框图 系统设计思路与总体方案为： 由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件 ,所以与电磁继电器相比具有工作可靠、无噪声、无火花 、 寿命长 ,对外 界干扰小 ,能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、 灵敏度高、 开关速度快和使用方便等一系列优点 ,因而具有很宽的应用领域 ,有逐步取代传统电磁继电器之势 ,另外，无触点的继电器可通过单片机成功地 实现弱信号对强电的控制。 可以 利用大功率三极管、功率场效应管、 绝缘栅双极性晶体管、 单向可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。 此次主电路研究选用的为绝缘栅双极型晶体管 IGBT，是由
19、BJT(双极型三极三相交 流进线 主触点1 主触点2 主触点3 AC-DC 变换器 三相交流出线 采样回路 单片机 PC 机 辅助触点1 辅助触点2 控制电路进线 控制电路出线 毕业设计（论文）题目 4 管 )和 MOS(绝缘栅型场效应管 )组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件 , 兼有 MOSFET 的高 输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点。 IGBT 驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为 600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 2.2 无机械触点继电器的总体设计 此次设计的是一个类似于热继电器结构的无触点继电器。该继电器和
20、接触器配合使用可 用于电动机或其它电气设备、电气线路的 过电流、过电压保护。 1设计的技术线路 设计分为五部分： 主电路（主触点 1、 2、 3）； 控制电路（辅助触点 1、 2）； 采样电路； AC-DC变换器； 单片机模块 。 2各部分功能简介 主电路（主触点 1、 2、 3）； 主触点 1、 2、 3 的三个入线端接三相交流电，三相交流电再从出线端流出接负载。入线端和出线端的电压和电流相同，如果主触点不断开，两个接线端之间相当于导线。主触点选用的器件为 IGBT，型号为三菱公司 MITSUBISHI IGBT 模块 CM50DY-12H(50A/600V/2U)，价格便宜。 控制电路（辅
21、助触点 1、 2）； 辅助触点 1、 2的两个进线端选择三相交流电中的两相进行输入。辅助触点一个为常开触点，一个为常闭触点，常闭触点串联在控制电路中。通常情况下， 常 闭触 点 处于闭合状态， 电路 保持吸合，电动机正常运行。 如果 电动机过载，继电器的常闭触 点 断开 ，常开触点闭合，使主电路断开，切断电动机的电源，电动机停车而得到保护。辅助触点选用的器件为MOSFET管，型号为仙童飞兆 MOSFET模块 FAQ28N50（ 500V/28A/TO-3P），价格便宜。 采样电路； 采样回路的作用就是检测电路中电流、电压、如何变化，是否有过电压、欠电压、过电流，三相是否平衡，电动机是否过载，是
22、否有过热现象，电源是否一相断线造成缺相，然后把检测到的信号送给单片机。 采样电路中包含了电流采样电路、电压 采样电路、温度采样电路、三相平衡采样电路。此部分用四电压比较器 LM339 来实现。 毕业设计（论文）题目 5 AC-DC变换器； 由于 IGBT器件导通、单片机的需求电压需要的都是是直流电压，所以在给 IGBT和单片机提供电压时交流电必须有一个整流的过程。通过整流将交流电变为直流电，使器件正常工作。此次选择的为桥式整流电路。 单片机模块； 单片机能够接受采样回路传来的信号，根据信号的不同对相应的主触点回路或辅助触点回路采取相应的措施。其中单片机和 PC机连接，能够和计算机进行远程通信。 3 主电路的设计 3.1 主触点中 IGBT 的选型 本设计选用的是 三菱公司 MITSUBISHI IGBT 模 CM50DY-12H(50A/600V/2U)。 实物图如图 2所示 图 2 IGBT 实物图 内部电路图如图 3 所示
