CN101819906A - 一种电子开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交流过零通断的电子开关。所述电子开关包括与负载连接的继电器，及继电器驱动电路、微控制器电路、交流信号检测取电电路，所述交流信号检测电路输入端与继电器触点连接、输出端与微控制器电路输入端连接；所述微控制器电路输出端与继电器驱动电路连接；所述交流信号检测取电电路包括OFF信号采样处理电路、ON信号采样处理电路以及信号处理电路。本发明所述电路采用微控制器控制开关继电器触点在交流电源过零瞬间切换，避免了电子开关继电器由于触点闭合或断开瞬时产生的电弧及浪涌冲击而易损坏的问题，显著提高了继电器触点的负载能力及寿命，使开关性能更加稳定、安全；且所述电路成本低，易实现。

Description

一种电子开关

技术领域

本发明涉及一种电子开关，具体是指一种能够实现交流电压信号过零时切换的电子开关。

背景技术

在各类公知的电子开关中主要采用可控硅或继电器作为终端开关器件以驱动负载的开启和关闭。对于以继电器作为终端开关器件的电子开关中继电器的通断控制往往是随机地，这样当继电器触点闭合和断开时就会产生浪涌电流及电弧，使继电器触点的寿命大大缩短。

为解决上述问题，现有技术中常常在继电器触点两端并联可控硅或场效应管。当开关需开启时，先控制可控硅或场效应管导通，然后再控制继电器触点闭合；当开关需要关闭时，先控制继电器触点断开，再控制可控硅或场效应管关断。这种方式虽然能有效抑制电弧产生，延长继电器触点的使用寿命，但其成本高昂，难以普及。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种能有效降低触点闭合或断开瞬时产生的电弧及浪涌冲击，提高触点负载能力及寿命的交流过零通断的电子开关及其控制方法。

根据上述需解决的问题，本发明采取的技术方案为：提供一种电子开关，包括与负载连接的继电器，及继电器驱动电路、微控制器电路、交流信号检测取电电路，所述交流信号检测取电电路输入端与继电器触点或电源端子连接、输出端与微控制器电路连接；所述微控制器电路输出端与继电器驱动电路连接。

所述交流信号检测取电电路包括OFF过零信号采样处理电路和ON过零信号采样处理电路；所述OFF过零信号采样处理电路输入端与继电器触点连接、输出端与微控制器电路输入端连接；所述ON过零信号采样处理电路输入端与继电器触点连接；或所述OFF过零信号采样处理电路输入端与继电器触点以及电源端子连接、输出端与微控制器电路输入端连接。针对OFF过零信号采样处理电路具体的方案为，所述OFF过零信号采样处理电路至少包括一电阻及阴极与该电阻连接、阳极接地的稳压二极管，所述电阻的一端作为关断信号采样电路输入端与继电器触点连接，稳压二极管阴极与电阻的公共端作为OFF过零信号采样处理电路输出端与微控制器电路输入端连接；或者，所述OFF过零信号采样处理电路包括一电阻和与所述电阻串联的二极管及阴极与所述二极管阴极连接、阳极接地的稳压二极管，所述电阻的另一端作为关断信号采样电路输入端与继电器触点连接，稳压二极管阴极与二极管阴极的公共端作为OFF过零信号采样处理电路输出端与微控制器电路输入端连接；或者，所述OFF过零信号采样处理电路包括一射极接地的三极管，所述三极管基极通过电阻接交流电源L端，集电极作为输出的并通过电阻接Vcc电源；或者，所述OFF过零信号采样处理电路包括一电阻及与该电阻串联的二极管，所述电阻另一端作为关断信号采样电路输入端与继电器触点连接，二极管阴极信号通过光耦耦合到信号处理电路输入端。

针对ON过零信号采样处理电路具体的方案为：所述ON过零信号采样处理电路至少包括一二极管，所述二极管阳极作为ON过零信号采样处理电路的输入端与继电器触点的一端或电源端子连接，二极管阴极作为ON过零信号采样处理电路的输出端与微控制器电路输入端连接。

所述ON过零信号采样处理电路还包括至少一个场效应管，其源极与电源端子连接，其漏极与继电器触点的一端连接，其栅极与微控制器连接或通过一三极管与微控制器连接；或者，所述ON过零信号采样处理电路还包括一场效应管驱动电路，其输出端与所述场效应管栅极连接，其电源端与场效应管漏极连接；或者，所述ON过零信号采样处理电路还包括一场效应管驱动电路，其输出端与所述场效应管栅极连接，其输入端与微控制器电路的一输出端连接，其电源端与场效应管漏极连接。

所述电子开关还包括储能滤波稳压电路，所述储能滤波稳压电路从交流电源取电后一路将交流电源电压转换成适合的电压Vcc给微控制器供电，另一路转换成电压Vc给继电器供电。

交流信号检测取电电路还包括用于给储能滤波稳压电路提供基础电源的ON取电电路；所述ON取电电路包括至少一个场效应管及一个二极管，所述场效应管由ON过零信号采样处理电路中的场效应管兼用；所述二极管阳极与场效应管的漏极或源极连接，其阴极为直流输出端与储能滤波稳压电路连接。

由于ON过零信号采样处理电路与ON取电电路共用同一个(或两个)场效应管，使得在不增加成本的条件下获得了二倍的功效。

交流信号检测取电电路还包括用于给储能滤波稳压电路提供基础电源的OFF取电电路；所述OFF取电电路包括一电阻及阳极与该电阻串联的二极管，所述电阻另一端作为电路输入端与电源端子连接，二极管阴极作为电路输出端与稳压滤波电路输入端连接；或者，进一步包括一二极管D214，其阳极接地，阴极接上述电阻及二极管的交点；或者，更进一步增加一二极管，该二极管阳极接电源端子，阴极接稳压滤波电路输入端。

所述OFF取电电路还可为开关电源电路。

本发明所述的电子开关的控制方法是：当所述电子开关的微控制器接到开关开启命令后，微控制器首先将交流信号检测取电电路中的OFF过零信号采样处理电路采集到交流过零信号进行分析处理，在交流电压过零点前Δt时间给继电器线圈施加驱动电压，使继电器触点在交流电压过零时闭合，Δt为继电器线圈施加驱动电压开始至继电器触点闭合所用的时间；

当所述电子开关的微控制器接到开关关断命令后，微控制器首先将交流信号检测取电电路中的ON过零信号采样处理电路采集到交流过零信号进行分析处理，在交流电压过零点前Δt1时间关断继电器线圈的驱动电压，使继电器触点在交流电流过零时断开，Δt1为继电器线圈关断驱动电压开始至继电器触点断开所用的时间。

本发明所述电子开关采用微控制器配合交流过零信号采样处理电路控制开关中继电器触点在交流电源过零瞬间切换，避免了电子开关中继电器由于触点闭合或断开瞬时产生的电弧及浪涌冲击而易损坏的问题，显著提高了继电器触点的负载能力及寿命；所述电子开关中各电路设计合理，构思巧妙，实现继电器的可靠控制，使开关性能更加稳定；且所述电路成本低，易实现。

附图说明

图1是本发明所述电子开关的基本原理组成示意框图；

图2是本发明所述电子开关的具体电路原理框图一；

图3是本发明所述电子开关的具体电路原理框图二；

图4是本发明所述电子开关的具体电路原理框图三；

图5是本发明所述交流信号检测取电电路中OFF过零信号采样处理电路第一实施例原理图；

图6是本发明所述交流信号检测取电电路中OFF过零信号采样处理电路第二实施例原理图；

图7是本发明所述交流信号检测取电电路中OFF过零信号采样处理电路第三实施例原理图；

图8是本发明所述交流信号检测取电电路中OFF过零信号采样处理电路第四实施例原理图；

图9是本发明所述交流信号检测取电电路中ON过零信号采样处理电路第一实施例原理图；

图10是本发明所述交流信号检测取电电路中ON过零信号采样处理电路第二实施例原理图；

图11是本发明所述交流信号检测取电电路中ON过零信号采样处理电路第三实施例原理图；

图12是本发明所述交流信号检测取电电路中ON过零信号采样处理电路第四实施例原理图；

图13是本发明所述交流信号检测取电电路中ON过零信号采样处理电路第五实施例原理图；

图14是本发明所述交流信号检测取电电路中ON取电电路第一实施例原理图；

图15是本发明所述交流信号检测取电电路中ON取电电路第二实施例原理图；

图16是本发明所述交流信号检测取电电路中OFF取电电路第一实施例原理图；

图17是本发明所述交流信号检测取电电路中OFF取电电路第二实施例原理图；

图18是本发明所述交流信号检测取电电路中OFF取电电路第三实施例原理图；

图19是本发明所述交流信号检测取电电路中OFF取电电路第三实施例原理图；

图20是本发明所述的电子开关综合电路原理图一；

图21是本发明所述的电子开关综合电路原理图二；

图22是本发明所述的电子开关综合电路原理图四。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1是本发明所述电子开关的基本原理组成示意框图。所述的电子开关包括与负载连接的继电器J1、继电器驱动电路3、微控制器电路1、交流信号检测取电电路2；所述交流信号检测取电电路2输入端与继电器J1触点连接、输出端与微控制器电路1输入端连接；所述微控制器电路1输出端与继电器驱动电路3连接。

以下给出了几个实施例加以详细说明。

如图2所示。交流信号检测取电电路2包括OFF过零信号采样处理电路21和ON过零信号采样处理电路22。所述微控制器电路1输出端PJ1与继电器驱动电路3的输入端连接；所述OFF过零信号采样处理电路21的输入端与继电器J1触点以及负载端L1连接，输出端PS1与微控制器电路1输入端连接；所述ON过零信号采样处理电路22的一个输入端与继电器J1触点L10端连接，另一个输入端与电源端子L连接，输出端与微控制器电路输入端PS2连接。其具体实施例参见图19。

另一种实施方式如图3所示：与上述实施例不同之处是将ON过零信号采样处理电路的过零信号输出给OFF过零信号采样处理电路，与其共用过零信号处理电路，经处理后的交流过零信号传输到与其连接的微控制器电路的信号输入端PS1，详细电路参见图20。采用这种方式，ON过零信号和OFF过零信号连接到微控制器的一个IO端口，比上述实施例可节省一个IO端口。

还有一种实施方式如图4的原理框图所示，详细内容可参见图21和图22。与上述两个实施例不同之处是微控制器电路还有一个输出端口PSm与交流信号检测取电电路2中的ON过零信号采样处理电路中的场效应管Q221的栅极G连接，由微控制器直接控制场效应管进行信号采样以及取电，如图21所示。也可通过场效应管的驱动电路22a控制场效应管进行信号采样以及取电，如图22所示。

本发明所述电子开关在电路具体实现中，充分考虑继电器特点及使用情况，细化每个电路模块，注重各电路模块配合，力求开关性能最稳定、电路最简洁且成本尽量低。

本发明所述的电子开关综合电路原理图一如图19所示，所述电子开关包括与负载连接的继电器J1、继电器驱动电路3、微控制器电路1、交流信号检测取电电路2；其中交流信号检测取电电路2包括OFF过零信号采样处理电路21a、ON过零信号采样处理电路22。

参见图19和图5，所述OFF过零信号采样处理电路21a包括电阻R211及二极管ZD211，所述电阻R211一端作为OFF过零信号采样处理电路21a的输入端与负载和继电器触点的连接端L1连接，二极管ZD211阴极与电阻R211的连接端作为OFF过零信号采样处理电路21a的输出端与微控制器电路1的输入端PS1连接。

针对OFF过零信号采样处理电路还可有不同的实施方式，这里再列举三种：

参见图6，与上述实施例不同之处是在OFF过零信号采样处理电路21a的电阻R211和稳压二极管ZD211的阴极之间串联一二极管D211。

参见图7，OFF过零信号采样处理电路21a包括一射极接地的三极管Q211，三极管Q211基极通过电阻R211负载电源L1端，集电极作为输出端接微控制器电路的输入端口PS1，并通过电阻R212接Vcc电源。

参见图8，述OFF过零信号采样处理电路21a包括一电阻R211及与该电阻串联的二极管D211，电阻R211另一端作为OFF过零信号采样处理电路的输入端与继电器触点及负载端L1连接，二极管D211阴极与光电耦合器IC211的输入端连接并将过零信号耦合到微控制器电路1的输入端口PS1。

参见图19和图9，所述ON过零信号采样处理电路22包括采样处理部分22a和场效应管Q221。采样处理部分22a包括电阻R221及二极管ZD221，电阻R221一端作为采样处理部分22a的输入端与场效应管Q221的漏极D和继电器触点的连接端L10连接，二极管ZD221的阴极与电阻R221的连接端作为ON过零信号采样处理电路22的输出端与微控制器电路1的输入端PS2连接。所述ON过零信号采样处理电路22还包括场效应管驱动电路22c，其输出端Sm与场效应管Q221栅极G连接，其电源端Vm与场效应管Q221的漏极D和继电器触点的连接端L10连接，场效应管Q221的源极S与公共地连接。

场效应管Q221栅极G也可以与微控制器电路1的输出端口PSm直接连接，如图21所示；场效应管Q221栅极G还可以通过场效应管驱动电路22c与微控制器电路1的输出端口PSm连接，如图22所示。

针对ON过零信号采样处理电路还可有不同的实施方式，这里再列举四种：

如图10和图20所示，在电阻R221与场效应管Q221的漏极D和继电器触电的另一端的连接端L10之间串联一二极管D221。

如图11所示，采用两只场效应管反向串联方式，场效应管Q221和Q222的漏极D分别接电源端子L和继电器J1的触点一端L10，其源极S与公共地并联，其栅极并联后与Sm或PSm端口连接。电阻R221一端作为采样处理部分22a的输入端与场效应管Q221的漏极D和继电器触点的连接端L10连接，二极管ZD221的阴极与电阻R221的连接端作为ON过零信号采样处理电路22的输出端与微控制器电路1的输入端PS2连接。

如图12所示，与上述实施例的区别是在电阻R221与场效应管Q222的漏极D和继电器触点的连接端L10之间串联一二极管D221。

如图13所示，与上述实施例的区别是在电阻R221与场效应管Q221的漏极D和电源端子的连接端L之间再串联一二极管D222。

参见图2、图3、图4、图14以及图19，交流信号检测取电电路2还包括可在开关开启期间给本电子开关提供电源供给的ON取电电路22和在开关关闭期间给本电子开关提供电源供给的OFF取电电路21b。

ON取电电路包括二极管D222和场效应管Q221，二极管D222阳极与场效应管Q221漏极D和继电器J的触点一端L10连接，极管D222阴极作为电源输出端与储能滤波稳压电路4的Vc2端连接。

ON取电电路中的场效应管Q221和ON过零信号采样处理电路的场效应管为同一个(或两个)，器件共享。ON取电电路还包括场效应管驱动电路22c，该电路与ON过零信号采样处理电路22中的效应管驱动电路22c共享。由此可见，ON取电电路和ON过零信号采样处理电路共享一个(或两个)器件和驱动电路，使得在不增加成本的条件下获得了二倍的功效。

参见图15，与图14实施例的区别是增加了一个场效应管Q222和二极管D223，可提高取电能效和降低开关的损耗。

将场效应管Q221漏极D产生的脉冲电压引入到储能滤波稳压电路4的Vc2端，由储能滤波稳压电路4中的储能滤波电容C41和稳压电路转换成电源Vcc供微控制器电路工作，Vc供给继电器驱动电路3。

参见图16和图19，OFF取电电路21b将交流电由负载L1端经电阻R212和二极管D212引入到储能滤波稳压电路4的Vc1端，由储能滤波稳压电路4中的储能滤波电容C41和稳压电路转换成电源Vcc供微控制器电路工作，Vc供给继电器驱动电路3。

参见图17和图15，与图16实施例不同之处是该OFF取电电路21b与图15的ON取电电路组合使用时，增加的二极管D214和D215可使得该OFF取电电路21b可以交流全波输出，输出能效高。

参见图18，该OFF取电电路21b是一个微功耗的小型开关电源电路，可有效地降低电子开关在关断期间的待机能耗，还可输出一定的电能供电子开关电路使用，待机电流可在数十微安，使得开关带节能灯、日光灯以及LED灯不会使灯闪烁。

当电子开关的微控制器接到开关开启命令后，微控制器首先将交流信号检测取电电路中的OFF过零信号采样处理电路采集到交流过零信号进行分析处理，得到确切的交流电压过零时间，在交流电压过零点前Δt时间给继电器线圈施加驱动电压，使继电器触点在交流电压过零时闭合，Δt为继电器线圈施加驱动电压开始至继电器触点闭合所用的时间；

同理，当电子开关的微控制器接到开关关断命令后，微控制器首先将交流信号检测取电电路中的ON过零信号采样处理电路采集到交流过零信号进行分析处理，得到确切的交流电流过零时间，在交流电流过零点前Δt1时间关断继电器线圈的驱动电压，使继电器触点在交流电流过零时断开，Δt1为继电器线圈关断驱动电压开始至继电器触点断开所用的时间。这样就可有效避免触点闭合和时产生的瞬间高压电弧，保护继电器触点。

所述电子开关中未具体描述的电路单元均为现有比较成熟的电路单元，因此不再赘述。

以上实施例仅为本发明较佳的实现方式，并不能以此来限制本发明，在不脱落本发明构思前提下，对其所做的任何等同替换和微小变化均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电子开关，包括与负载连接的继电器及继电器驱动电路、微控制器电路，其特征在于：还包括交流信号检测取电电路，其输入端与继电器触点及电源端子连接，其输出端与微控制器电路输入端连接；所述微控制器电路输出端还与继电器驱动电路连接。

2.根据权利要求1所述的电子开关，其特征在于：所述交流信号检测取电电路包括OFF过零信号采样处理电路和ON过零信号采样处理电路；所述OFF过零信号采样处理电路输入端与继电器触点连接、输出端与微控制器电路连接；所述ON过零信号采样处理电路输入端与继电器触点连接；

或所述OFF过零信号采样处理电路输入端与继电器触点以及电源端子连接、输出端与微控制器电路输入端连接。

3.根据权利要求2所述的电子开关，其特征在于：所述OFF过零信号采样处理电路至少包括一电阻及阴极与该电阻连接、阳极接地的稳压二极管，所述电阻的一端作为OFF过零信号采样电路输入端与继电器触点连接，稳压二极管阴极与电阻的公共端作为OFF过零信号采样处理电路输出端与微控制器电路输入端连接；或者，

所述OFF过零信号采样处理电路包括一电阻和与所述电阻串联的二极管及阴极与所述二极管阴极连接、阳极接地的稳压二极管，所述电阻的另一端作为OFF过零信号采样电路输入端与继电器触点连接，稳压二极管阴极与二极管阴极的公共端作为OFF过零信号采样处理电路输出端与微控制器电路连接；或者，

所述OFF过零信号采样处理电路包括一射极接地的三极管，所述三极管基极通过电阻接交流电源L端，集电极作为输出端并通过电阻接Vcc电源；或者，

所述OFF过零信号采样处理电路包括一电阻及与该电阻串联的二极管，所述电阻另一端作为OFF过零信号采样电路输入端与继电器触点连接，二极管阴极信号通过光耦耦合到信号处理电路输入端。

4.根据权利要求2所述的电子开关，其特征在于：所述ON过零信号采样处理电路至少包括一二极管，所述二极管阳极作为ON过零信号采样处理电路的输入端与继电器触点的一端或电源端子连接，二极管阴极作为ON过零信号采样处理电路的输出端与微控制器电路连接。

5.如权利要求4所述的电子开关，其特征在于：所述ON过零信号采样处理电路还包括至少一个场效应管，其源极与电源端子连接，其漏极与继电器触点的一端连接，其栅极与微控制器连接或通过一三极管与微控制器连接；或者，

所述ON过零信号采样处理电路还包括一场效应管驱动电路，其输出端与所述场效应管栅极连接，其电源端与场效应管漏极连接；或者，

所述ON过零信号采样处理电路还包括一场效应管驱动电路，其输出端与所述场效应管栅极连接，其输入端与微控制器电路的一输出端连接，其电源端与场效应管漏极连接。

6.根据权利要求1或2所述的电子开关，其特征在于：进一步包括储能滤波稳压电路，所述储能滤波稳压电路从交流电源取电后一路输出电压Vcc给微控制器供电，另一路输出电压Vc给继电器供电。

7.根据权利要求6所述的电子开关，其特征在于：所述交流信号检测取电电路还包括用于给储能滤波稳压电路提供基础电源的ON取电电路；

所述ON取电电路包括至少一个场效应管及一个二极管，所述场效应管由ON过零信号采样处理电路中的场效应管兼用；所述二极管阳极与场效应管的漏极或源极连接，其阴极为直流输出端与储能滤波稳压电路连接。

8.根据权利要求6所述的电子开关，其特征在于：交流信号检测取电电路还包括用于给储能滤波稳压电路提供基础电源的OFF取电电路；

所述OFF取电电路包括一电阻及阳极与该电阻串联的二极管，所述电阻另一端作为电路输入端与负载电源端子连接，二极管阴极作为电路输出端与储能滤波稳压电路输入端连接；或者，

进一步包括一二极管，其阳极接地，阴极接上述电阻及二极管的交点；或者，

更进一步增加一二极管，该二极管阳极接电源端子，阴极接储能滤波稳压电路输入端。

9.根据权利要求6所述的电子开关，其特征在于：交流信号检测取电电路还包括用于给储能滤波稳压电路提供基础电源的OFF取电电路；

所述OFF取电电路为开关电源电路。

10.一种交流过零通断的电子开关控制方法，其特征在于：

当所述电子开关的微控制器接到开关开启命令后，微控制器首先将交流信号检测取电电路中的OFF过零信号采样处理电路采集到交流过零信号进行分析处理，在交流电压过零点前Δt时间给继电器线圈施加驱动电压，使继电器触点在交流电压过零时闭合，Δt为继电器线圈施加驱动电压开始至继电器触点闭合所用的时间；

当所述电子开关的微控制器接到开关关断命令后，微控制器首先将交流信号检测取电电路中的ON过零信号采样处理电路采集到交流过零信号进行分析处理，在交流电压过零点前Δt1时间关断继电器线圈的驱动电压，使继电器触点在交流电流过零时断开，Δt1为继电器线圈关断驱动电压开始至继电器触点断开所用的时间。

Images