CN103727289A - 一种直流电磁阀控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双冗余开启、低电流迟滞比较维持、快速关断的直流电磁阀控制电路，采用了双冗余控制技术，一种为脉宽固定的单稳态自启驱动电路，一种是基于电流信号检测控制驱动电路，确保电磁阀可靠打开。此电路通用性强，可广泛用于民用、军工等对电磁阀控制功耗及响应时间有较高要求的系统中。

Description

一种直流电磁阀控制电路
技术领域
本发明涉及模拟集成电路中的一种直流电磁阀控制电路。
背景技术
直流电磁阀控制电路在石油化工管路控制系统中，尤其是有防爆要求的管路控制中，使用很广泛，在军工系统中，也广为使用。现有电磁阀控制电路有两大类，一类如通过PLC的I/O模块来控制，由固态继电器或晶体管加外围电路组成，来完成电磁阀的通断。另一类为改进电路，内部增加了降电压环节，在电磁阀常压通电设定时间后，降为低压给电磁阀供电。
现有两种控制电路均为电压控制方式，无法精确控制电磁阀电流，因为电磁阀长时间通电后，会造成电磁阀阀体发热，绕组阻值变大，稳态电流变小，甚至焊点脱落等情况，且无用功耗很大。一般无加速关闭回路，电磁阀关闭时间较长。有的虽增加了加速释放回路，但线圈的反电动势对驱动管的可靠性要求很高。在此背景下，设计研制了一种双冗余开启、低电流迟滞比较维持、快速关断的电磁阀控制电路。
发明内容
本发明的目的是提供一种直流电磁阀控制电路，具有双冗余开启、低电流迟滞比较维持、快速关断的特点。
本发明的技术方案是：一种直流电磁阀控制电路，包括脉宽定时电路、双冗余驱动电路、基准电压电路、电流取样、放大及比较电路以及加速释放回路，其特征是脉宽定时电路包括时基电路D2及外围电路，其中电阻R1与二极管V101并联后，一端与电容C1连接，同时接入时基电路D2的2脚，另一端与时基电路D2的4脚、8脚以及电阻R2的一端连接，电阻R2另一端与时基电路D2的7脚、6脚以及电容C2的一端连接，电容C1和C2的另一端与GND连接；
双冗余驱动电路包括PNP三极管V1和P沟道场效应管V3以及外围的电阻和二极管，其中二极管V102的正极与时基电路D2的3脚连接，二极管V102的负极与二极管V105的负极以及电阻R3的一端连接，三极管V1的2脚分别与电阻R3、R17的一端连接，三极管V1的3脚与电阻R5一端连接，电阻R17的另一端、三极管V1的1脚均与GND连接，场效应管V3的1脚与电阻R4、R5以及稳压二极管V2的正极连接，场效应管V3的2脚与稳压二极管V6的正极连接；场效应管V3的3脚、稳压二极管V2的负极、电阻R4的另一端均与VIN连接；
基准电压电路包括基准稳压管V4以及外围的电阻、电容、二极管。稳压二极管V103的负极与VIN端连接，正极与电阻R6的一端连接，基准稳压管V4的1脚与电阻R6的另一端连接，基准稳压管V4的8脚分别连接电阻的R7、R8的一端，基准稳压管V4的1脚、电阻R7、R101以及电容C3的一端接入+5V端，基准稳压管V4的6脚、电阻R8、R102以及电容C3的另一端接入GND端，电阻R101与R102的连接端输出参考基准电压Ur；
电流取样、放大及比较电路包括双运放D3A、D3B和电压比较器D1以及外围的二极管和电阻，电阻R15的两端分别与双运放D3A的2脚、1脚连接，电阻R14的两端分别与双运放D3A的3脚和GND端连接，取样电阻R16一端与R13连接，另一端与电阻R12和DRV-连接，双运放D3A的3脚和2脚分别连接电阻R12和R13的另一端，组成了电流的取样和差动放大电路；双运放D3A的1脚和D3B的5脚连接，双运放D3B的6脚和7脚之间接入电阻R103，完成电压的跟随；电压比较器D1的3脚通过电阻R106与双运放D3B的7脚连接，电压比较器D1的7脚分别与电阻R107、二极管V105的正极、二极管V104的负极连接，电压比较器D1的2脚通过电阻R104接入Ur端，电压比较器D1的1脚、4脚与GND端连接，电压比较器D1的8脚和电阻R107的一端同时接入+5V端；
加速释放回路包括N沟道场效应管V10，二极管V6、V7、V8和V9，电阻R9、R10以及电容C4，电阻R9和R10串联后与电容C4并联，并联端分别接入VIN和GND端，场效应管V10的1脚与电阻R9和R10的公共端连接，场效应管V10的3脚与二极管V7的正极连接，场效应管V10的2脚与稳压二极管V9的负极连接，续流二极管V8的负极分别与稳压二极管V6和二极管V7的负极连接。
该直流电磁阀控制电路采用了双冗余控制技术，一种为脉宽固定的单稳态自启驱动电路，一种是基于电流信号检测控制驱动电路，确保电磁阀可靠打开。采用较新颖的低电流迟滞比较维持电路，确保电磁阀在一定的电流区间内保持低功耗维持，降低电磁阀的能耗；采用了高效简洁的快速关断电路，使电磁阀的关断时间缩短了20～30ms,同时消除了反电动势对控制接口电路的影响。
此电路通用性强，可广泛用于民用、军工等对电磁阀控制功耗及响应时间有较高要求的系统中。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图。
具体实施方式
如图1所示，该电磁阀控制电路主要由脉宽定时电路、双冗余驱动电路、基准电压电路、电流取样、放大及比较电路以及加速释放回路等组成。
脉宽定时电路主要由时基电路D2NE555以及外围电路组成。电阻R1与二极管V101并联后，一端与电容C1连接，同时接入时基电路D2的2脚，另一端与时基电路D2的4脚、8脚以及电阻R2的一端连接。电阻R2另一端与时基电路D2的7脚、6脚以及电容C2的一端连接。电容C1，C2的另一端与GND连接。主要完成在电路上电时，在D2的3脚输出脉宽固定的高电平信号。
双冗余驱动电路主要由PNP三极管V1和P沟道场效应管V3以及外围的电阻和二极管组成。二极管V102正极与时基电路D2的3脚连接，负极与二极管V105的负极，电阻R3的一端连接。三极管V1的2脚分别与电阻R3、R17的一端连接，三极管V1的3脚与电阻R5一端连接。电阻R17的另一端、三极管V1的1脚均与GND连接。场效应管V3的1脚与电阻R4，R5以及稳压二极管V2的正极连接，场效应管V3的2脚与稳压二极管V6的正极连接；场效应管V3的3脚、稳压二极管V2的负极、电阻R4的另一端均与VIN连接。双冗余驱动电路主要完成无论是二极管V102还是二极管V105输出高电平时，确保三极管V1处于导通状态，从而确保场效应管V3导通并输出电磁阀驱动电压。
基准电压电路主要由基准稳压管V4以及外围的电阻、电容、二极管组成。稳压二极管V103的负极与VIN端连接，正极与电阻R6的一端连接。基准稳压管V4的1脚与电阻R6的另一端连接，基准稳压管V4的8脚分别连接电阻的R7、R8的一端。电阻R101与R102连接，连接端输出参考基准电压Ur。基准稳压管V4的1脚、电阻R7、R101以及电容C3的一端接入+5V端。基准稳压管V4的6脚、电阻R8、R102以及电容C3的另一端接入GND端。基准电压电路主要产生+5V工作电压和参考基准电压Ur。
电流取样、放大及比较电路主要由双运放D3和电压比较器D1以及外围的二极管和电阻组成。电阻R15的两端分别与双运放D3A的2脚、1脚连接，电阻R14的两端分别与双运放D3A的3脚和GND端连接，取样电阻R16一端与电阻R13连接，另一端与电阻R12和DRV-连接，双运放D3A的3脚和2脚分别连接电阻R12、R13的另一端，组成了电流的取样和差动放大电路。双运放D3A的1脚和D3B的5脚连接，双运放D3B的6脚和7脚之间接入电阻R103，完成电压的跟随。电压比较器D1的3脚通过电阻R106与双运放D3B的7脚连接，电压比较器D1的7脚分别与电阻R107、二极管V105的正极、二极管V104的负极连接，电压比较器D1的2脚通过电阻R104接入Ur端，电压比较器D1的1脚、4脚与GND端连接，电压比较器D1的8脚和电阻R107的一端同时接入+5V端。电流取样、放大及比较电路主要完成电磁阀线圈电流的取样、差动放大以及与参考基准电压Ur的比较驱动输出。
加速释放回路主要由N沟道场效应管V10，二极管V6、V7、V8、V9，电阻R9、R10以及电容C4组成。电阻R9、R10串联后与电容C4并联，两端分别接入VIN和GND端。场效应管V10的1脚与电阻R9、R10的公共端连接，场效应管V10的3脚与二极管V7的正极连接，场效应管V10的2脚与稳压二极管V9的负极连接。续流二极管V8的负极分别与稳压二极管V6和二极管V7的负极连接。加速释放回路主要完成电磁阀线圈电流的加速衰减，从而使得电磁阀实现加速关断。
关键器件选型及参数
电压比较器D1选用型号为LM311
LM311电压比较器设计运行在更宽的电源电压：从标准的±15V运算放大器到单5V电源用于逻辑集成电路。其输出兼容RTL、DTL和TTL以MOS电路。
基本参数
●比较器类型:通用
●响应时间:200ns
●电源电流:5.1mA
●针脚数:8
时基电路D2选用型号为LM555/LM555C。
LM555/LM555C系列是美国国家半导体公司的时基电路。我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一种通用集成电路。LM555/LM555C系列功能强大、使用灵活、适用范围宽，可用来产生时间延迟和多种脉冲信号，被广泛用于各种电子产品中。
基本参数
●定时时间从微秒级到小时级。
●可工作于无稳态和单稳态两种方式。
●可调整占空比。
●输出端可接收和提供200mA电流。
●输出电压与TTL电平兼容。
●温度稳定性好于0.005%/℃。
双运算放大器D3选用型号为LM358
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
基本参数
●直流电压增益高(约100dB)
●单位增益频带宽(约1MHz)
●电源电压范围宽：单电源(3～30V)
●双电源(±1.5～±15V)
●低功耗电流，适合于电池供电
●共模输入电压范围宽，包括接地
●差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
●输出电压摆幅大(0至Vcc-1.5V)。
精密稳压源V4选用型号为TL431
TL431是可控精密稳压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中用它代替稳压二极管，例如，数字电压表，运放电路，可调压电源，开关电源等。
基本参数
●可编程输出电压:2.5V～36V
●电压参考误差：±0.4%，典型值25℃（TL431B）
●低动态输出阻抗:0.22Ω(典型值)
●温度补偿操作全额定工作温度范围
●负载电流1.0～100毫安。
●全温度范围内温度特性平坦，典型值为50ppm/℃，
●最大输入电压为37V
●最大工作电流150mA
●内基准电压为2.495V(25℃)。
需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。
凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种直流电磁阀控制电路，包括脉宽定时电路、双冗余驱动电路、基准电压电路、电流取样、放大及比较电路以及加速释放回路，其特征是脉宽定时电路包括时基电路D2及外围电路，其中电阻R1与二极管V101并联后，一端与电容C1连接，同时接入时基电路D2的2脚，另一端与时基电路D2的4脚、8脚以及电阻R2的一端连接，电阻R2另一端与时基电路D2的7脚、6脚以及电容C2的一端连接，电容C1和C2的另一端与GND连接；
双冗余驱动电路包括PNP三极管V1和P沟道场效应管V3以及外围的电阻和二极管，其中二极管V102的正极与时基电路D2的3脚连接，二极管V102的负极与二极管V105的负极以及电阻R3的一端连接，三极管V1的2脚分别与电阻R3、R17的一端连接，三极管V1的3脚与电阻R5一端连接，电阻R17的另一端、三极管V1的1脚均与GND连接，场效应管V3的1脚与电阻R4、R5以及稳压二极管V2的正极连接，场效应管V3的2脚与稳压二极管V6的正极连接；场效应管V3的3脚、稳压二极管V2的负极、电阻R4的另一端均与VIN连接；
基准电压电路包括基准稳压管V4以及外围的电阻、电容、二极管。稳压二极管V103的负极与VIN端连接，正极与电阻R6的一端连接，基准稳压管V4的1脚与电阻R6的另一端连接，基准稳压管V4的8脚分别连接电阻的R7、R8的一端，基准稳压管V4的1脚、电阻R7、R101以及电容C3的一端接入+5V端，基准稳压管V4的6脚、电阻R8、R102以及电容C3的另一端接入GND端，电阻R101与R102的连接端输出参考基准电压Ur；
电流取样、放大及比较电路包括双运放D3A、D3B和电压比较器D1以及外围的二极管和电阻，电阻R15的两端分别与双运放D3A的2脚、1脚连接，电阻R14的两端分别与双运放D3A的3脚和GND端连接，取样电阻R16一端与R13连接，另一端与电阻R12和DRV-连接，双运放D3A的3脚和2脚分别连接电阻R12和R13的另一端，组成了电流的取样和差动放大电路；双运放D3A的1脚和D3B的5脚连接，双运放D3B的6脚和7脚之间接入电阻R103，完成电压的跟随；电压比较器D1的3脚通过电阻R106与双运放D3B的7脚连接，电压比较器D1的7脚分别与电阻R107、二极管V105的正极、二极管V104的负极连接，电压比较器D1的2脚通过电阻R104接入Ur端，电压比较器D1的1脚、4脚与GND端连接，电压比较器D1的8脚和电阻R107的一端同时接入+5V端；
加速释放回路包括N沟道场效应管V10，二极管V6、V7、V8和V9，电阻R9、R10以及电容C4，电阻R9和R10串联后与电容C4并联，并联端分别接入VIN和GND端，场效应管V10的1脚与电阻R9和R10的公共端连接，场效应管V10的3脚与二极管V7的正极连接，场效应管V10的2脚与稳压二极管V9的负极连接，续流二极管V8的负极分别与稳压二极管V6和二极管V7的负极连接。
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