CN102386902A - 一种故障安全型继电器及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种故障安全型继电器及其驱动方法，该故障安全型继电器由外接的继电器驱动端子提供周期性方波信号，该继电器驱动端子与第一光电耦合器耦接，该第一光电耦合器的输出端子与场效应管、电感、第一二极管、第二二极管、电容以及线圈触点组合依次相连。本发明中的故障安全型继电器解决了现有技术中继电器都没有自带故障安全控制电路，实现故障安全特性需要外接动态开关量信号的驱动电路的问题；同时本发明中的故障安全型继电器设计了电感电容能量交换升压驱动功能，确保在任何元器件故障时，继电器就会断开，从而保证继电器满足故障导向安全的原则。

Description

一种故障安全型继电器及其驱动方法

技术领域

本发明涉及开关量输出控制领域，特别是涉及到一种故障安全型继电器。

背景技术

继电器是最常用的开关量控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），它可实现输入回路和输出回路的电路隔离，其信号传递依靠线圈产生的磁力，因此具有较好的干扰隔离能力，同时输出回路的电流通过能力可以设计得很高，是实现小信号控制大电流开关的理想器件。继电器通常应用于自动控制电路中，是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。但在一些安全性要求高的应用场合，继电器的错误吸合会造成严重的安全事故，如铁路信号灯中的绿灯控制继电器异常吸合可造成列车追尾或正面碰撞，电梯启动控制的继电器异常吸合会造成电梯误动作，电炉加热控制继电器异常吸合会造成超温，核电站燃料棒升降继电器异常吸合会造成反应堆超温。目前故障安全开关量输出通道所用的继电器都没有自带故障安全控制电路，实现故障安全特性需要外接动态开关量信号的驱动电路。

在申请号为CN201010601567的中国专利申请中，提供了一种直流固态继电器，由输入电路、隔离电路和输出电路依次连接构成，输入电路和输出电路均是由电阻、开关管和二极管组成，隔离电路采用光电耦合器。在该专利申请中引入了正反馈回路，使得继电器导通电压和截止电压值分离，且留有一定的裕度，继电器具有滞回特性、防止临界抖动现象，同时继电器输出不受负载的影响、端口相对独立，但是在该专利申请中的继电器并不能保证在任一元器件故障时仍能正常工作，从而存在着安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种继电器，其内部具有动态驱动电路，并具有线圈驱动电压提升功能和具有内部触点回采功能。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：故障安全型继电器，其包括线圈触点组合，该故障安全型继电器还包括第一光电耦合器、电感、场效应管、第一二极管和第二二极管和电容，该故障安全型继电器由外接的继电器驱动端子提供周期性方波信号，该第一光电耦合器的脚一耦接于第一电源, 该第一光电耦合器的脚二耦接于该继电器驱动端子，该第一光电耦合器的脚三耦接于第二电源，该第一光电耦合器的脚四接地，该电感的一端耦接于该第二电源，另一端耦接于该第二二极管的正极，该第二二极管的负极与该线圈触点组合的线圈的一端耦接，该场效应管的栅极耦接于该第二电源，源极接地，漏极耦接于该电感的另一端，该第一二极管D1的正极耦接于该场效应管的源极，该第一二极管的负极耦接于该场效应管的漏极，该电容耦接在该第二二极管的负极与地之间，该线圈触点组合的线圈的另一端接地。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

该故障安全型继电器还包括第二光电耦合器，该线圈触点组合的一对触点与该第二光电耦合器的1脚耦接，该线圈触点组合的另一对触点耦接于该第二电源，该第二光电耦合器的脚二接地，该第二光电耦合器的脚三耦接于该第一电源，该第二光电耦合器的脚四经过电阻接地。

优选的是，该继电器驱动端子由继电器驱动单元提供，该继电器驱动单元还包括经过该电阻接地的另一驱动端子。

优选的是，该继电器驱动单元提供该第一电源，该周期性方波信号的电源由该第一电源提供。

本发明的也目的可通过如下技术措施来实现：故障安全型继电器的驱动方法，该驱动方法包括：与该故障安全型继电器外接的继电器驱动单元向该故障安全型继电器提供一方波信号；以及该故障安全型继电器将该方波信号转换为线圈驱动电压，该线圈驱动电压高于该故障安全型继电器的供电电压。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

所述继电器驱动单元回采所述故障安全型继电器中线圈触点组合的工作状态；

所述继电器驱动单元比较驱动预期状态与回采的该工作状态的是否一致；以及

当该驱动预期状态与回采的该工作状态不一致时，所述继电器驱动单元停止向所述故障安全型继电器提供所述方波信号。

优选的是，当该驱动预期状态与回采的该工作状态不一致时，所述继电器驱动单元发出报警信号。

优选的是，当该驱动预期状态与回采的该工作状态一致时，所述继电器驱动单元正常工作。

技术人员不难看出，上述各优选方案的任意组合所构成的方案都是本发明的一部分。

本发明中的故障安全型继电器中动态电路的驱动设计要求使用低电压信号，低电压信号经过此继电器内部的转换电路可提高用来驱动线圈的电压。这一优点可以有效地避免由于系统内部元器件特殊情况下发生短路故障使得控制信号直接驱动线圈而导致异常吸起，也就是说，与现有技术相比，本发明中的故障安全型继电器任何元器件故障时，继电器就会断开，从而保证继电器满足故障导向安全的原则，因为只有电路中的所有元器件正常工作才能激发出驱动线圈所需的高电压信号。本发明中的故障安全型继电器，具有线圈驱动电压提升功能，增强了系统的故障安全特性；并且具有内部触点回采功能，确保了继电器状态可知性。 

附图说明

图1为本发明的故障安全型继电器一优选实施例的电路图；

图2为本发明的故障安全型继电器的驱动方法的一优选实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

如图1所示，图1为本发明的故障安全型继电器的一优选实施例的电路图。从图1中可以看出，该故障安全型继电器10包括光电耦合器M1和M2、电感L1、场效应管G1、二极管D1和D2、电容C1以及线圈触点组合101。该故障安全型继电器10的驱动需要一路特定周期的方波信号，该方波信号为继电器驱动端子S2由外部的继电器驱动单元20给出占空比可调的周期性方波信号，方波信号的电源由U1提供，该电源U1由该继电器驱动单元20提供，该继电器驱动单元20还包括通过电阻R1连接于地的驱动端子S1。在该故障安全型继电器10中，光电耦合器M1的1脚通过电阻R2连接于电源U1, 光电耦合器M1的2脚连接于驱动端子S2，光电耦合器M1的3脚通过电阻R4连接于电源U2，光电耦合器M1的4脚接地，电感L1的一端连接于电源U2，另一端连接于二极管D2的正极，二极管D2的负极与线圈触点组合101线圈的一端相连，场效应管G1的栅极通过电阻R4耦接于电源U2，源极接地，漏极连接于电感L1的另一端，二极管D1的正极连接于场效应管G1的源极，二极管D1的负极连接于场效应管G1的漏极，电容C1连接在二极管D2的负极与地之间，线圈触点组合101线圈的另一端接地，线圈触点组合101的一对触点通过电阻R3与光电耦合器M2的1脚连接，线圈触点组合101的另一对触点连接于电源U2，光电耦合器M2的2脚接地，光电耦合器M2的3脚连接于电源U1，光电耦合器M2的4脚通过电阻R1接地。

工作时，继电器驱动端子S2由外部的继电器驱动单元20给出占空比可调的周期性方波信号，方波信号的电源由U1提供，控制光电耦合器M1通断，M1关断时场效应管G1导通，电流由电源U2流过电感L1，电感L1储存能量，当M1导通时场效应管G1关断，电感L1中的电流由于楞次定律继续流动，通过二极管D2流向电容C1，实现将能量由电感L1传递给电容C1，如此周期性工作使得电容C1两端的电压升高到一个新的平衡点电压U3，U3电压值高于U1和U2的电压值。如U1和U2为5V，通过控制驱动信号的频率和占空比以及设计L1和C1的参数，U3可达到12V，继电器线圈吸起最低电压设计为10V，这样继电器中任何元器件故障都不会使得继电器异常吸起，因为元器件故障将破坏动态能量传递电路积累高电压，而系统中的低电压电源又不足以使线圈触点组合吸起，确保了此继电器的故障安全特性。而由检测触点对和光电耦合器M2构成的回采电路使得继电器的工作状态得以实时检测，确保了继电器执行动作的可知性。也就是说，由继电驱动单元A的采集端子S1采集R1上的电压，从而实现J1工作状态的回采，在故障安全型继电器10内，回采通过光电耦合器M2的通道采集J1的一对工作触点实现。继电器驱动单元20内部比较驱动预期状态与采集状态的一致性，若状态不一致则立即停止方波驱动信号输出并发出相应的报警信号，否则正常工作。在使用过程中，继电器的定期维护的一项主要内容是测试J1驱动电压U3的值，以验证增压效果。

综上所述，继电器驱动端子S2驱动光电耦合器M1及后续辅助电路实现动态升压，使线圈触点组合101的线圈驱动电压U3高于该故障安全型继电器10的供电电压U2，从而使得线圈触点组合101安全吸起；同时线圈触点组合101的触点吸合状态由光电耦合器M2构成的回路回采，确保继电器状态可知。本发明所述继电器中任何一个元器件故障都可以使继电器导向安全，不会发生由电气故障而导致的错误吸起，从而可应用于高可靠性开关量控制的工业现场，特别是轨道交通信号控制。

图2为本发明的故障安全型继电器的驱动方法的一优选实施例的流程图。在步骤201，与该故障安全型继电器外接的继电器驱动单元向该故障安全型继电器提供一方波信号。流程进入到步骤202。

在步骤202，该故障安全型继电器将该方波信号转换为线圈驱动电压，该线圈驱动电压高于该故障安全型继电器的供电电压，实现了驱动增压，增压后的信号使得该故障安全型继电器的线圈触点组合吸起从而使触点组合工作。在一实施例中，采用如图1所示的电路实现将该方波信号转换为线圈驱动电压，其工作原理在此不再赘述。流程进入到步骤203。

在步骤203，继电器驱动单元回采该线圈触点组合的工作状态，在一实施例中，采用如图1所示的电路实现工作状态的回采，其工作原理在此不再相信描述。流程进入到步骤204。

在步骤204，该继电器驱动单元内部比较驱动预期状态与回采的工作状态的是否一致，若不一致，流程进入到步骤205；若一致，流程进入到步骤206。

在步骤205，继电器驱动单元立即停止该方波驱动信号的输出并发出相应的报警信号。

在步骤206，该继电器驱动单元正常工作。

本领域技术人员在阅读了本说明书后不难理解，本发明的故障安全型继电器由现有技术结合而构成，这些现有技术虽然并没有事无巨细地全部一一描述，但在阅读了本说明书后本领域技术人员会知其所云。本说明书中描述了上述现有技术的结合而构成本发明的各个方案，本领域技术人员可以理解，这些方案的各种结合，以及构成这些方案的各个部分和/或特征的结合都属于本发明的方案的范畴。本领域技术人员显然可以理解的是：，将上述现有技术结合起来构成本发明，这需要大量创造性劳动付出，是多年理论研究和大量实验的结晶。

Claims (8)

1.一种故障安全型继电器，具有线圈触点组合，其特征在于：还具有第一光电耦合器、电感、场效应管、第一二极管和第二二极管和电容，该故障安全型继电器由外接的继电器驱动端子提供周期性方波信号，所述第一光电耦合器的脚一耦接于第一电源, 其脚二耦接于该继电器驱动端子，脚三耦接于第二电源，脚四接地，所述电感的一端耦接于所述第二电源，另一端耦接于所述第二二极管的正极，该第二二极管的负极与该线圈触点组合的线圈的一端耦接，该场效应管的栅极耦接于该第二电源，源极接地，漏极耦接于该电感的另一端，该第一二极管D1的正极耦接于该场效应管的源极，该第一二极管的负极耦接于该场效应管的漏极，该电容耦接在该第二二极管的负极与地之间，该线圈触点组合的线圈的另一端接地，其中，与所述第二二极管的负极耦接的所述线圈触点组合的线圈的一端上的电压为所述线圈触点组合的线圈驱动电压，该线圈驱动电压的电压值高于所述第二电源的电压值。

2.根据权利要求1所述的继电器，其特征在于，还具有第二光电耦合器，该线圈触点组合的一对触点与该第二光电耦合器的脚一耦接，该线圈触点组合的另一对触点耦接于该第二电源，该第二光电耦合器的脚二接地，该第二光电耦合器的脚三耦接于该第一电源，该第二光电耦合器的脚四经过电阻接地。

3.根据权利要求2所述的继电器，其特征在于，该继电器驱动端子由继电器驱动单元提供，该继电器驱动单元还包括经过该电阻接地的另一驱动端子。

4.根据权利要求3所述的继电器，其特征在于，该继电器驱动单元提供该第一电源，该周期性方波信号的电源由该第一电源提供。

5.故障安全型继电器的驱动方法，其特征在于，该驱动方法包括：

与该故障安全型继电器外接的继电器驱动单元向该故障安全型继电器提供一方波信号；以及该故障安全型继电器将该方波信号转换为线圈驱动电压，该线圈驱动电压高于该故障安全型继电器的供电电压。

6.根据权利要求5所述的驱动方法，其特征在于，还包括：

所述继电器驱动单元回采所述故障安全型继电器中线圈触点组合的工作状态；

所述继电器驱动单元比较驱动预期状态与回采的该工作状态的是否一致；以及当该驱动预期状态与回采的该工作状态不一致时，所述继电器驱动单元停止向所述故障安全型继电器提供所述方波信号。

7.根据权利要求6所述的驱动方法，其特征在于，当该驱动预期状态与回采的该工作状态不一致时，所述继电器驱动单元发出报警信号。

8.根据权利要求6所述的驱动方法，其特征在于，当该驱动预期状态与回采的该工作状态一致时，所述继电器驱动单元正常工作。