CN104595558B - 具有集成电路模块的节电型交流电磁阀 - Google Patents
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Abstract
一种具有集成电路模块的节电型交流电磁阀,包括节电单元与传统交流电磁阀两部份,所述的节电单元由AC‑DC转换电路、开关脉冲发生电路、开关电路、降压电路、双极型瞬态电压抑止二极管组成；所述开关脉冲发生电路具有集成电路，该集成电路的型号为LM393、TDC393、IR393、LA393、LA6393、MB47393、TA75393、AN6914、upc277c或LM293。
Description
技术领域
本发明涉及低圧电器领域，尤其涉及一种具有节约电能之功能的“具有集成电路模块的节电型交流电磁阀”。
背景技术
电磁阀(Electromagnetic valve)是一种依靠励磁线圈产生的电磁力来驱动阀门开、关的流体控制器件。
交流电磁阀是电磁阀中的一种类型，是家用电器和工控设备中应用非常广泛的低压电器。其特点是在励磁线圈中接入交流电压、用交流电流产生驱动阀门开、关的电磁力。
交流电磁阀主要由励磁线圏、阀芯、复位弹簧组成。图1a、图1b为交流电磁阀控制流体(气或液)通、断的示意图；图2a、图2b为液压设备中用的交流液压电磁阀控制“液压油”流向的示意图。
结合图1a：当励磁线圈的A1、A2端接通AC220V、AC110V或AC380V电压(以下通称AC220V、AC110V或AC380V为AC电压)时，其产生的电磁力推动阀芯克服复位弹簧的阻力而向下移动，与阀芯相连接的活塞也随之下移，所述的交流电磁阀打开，其“入口”与“出口”接通。
结合图1b：当励磁线圈中的AC电压关断时，阀芯失磁力，受复位弹簧的作用而上移，活塞也随之上移，所述的交流电磁阀“复位”，其“入口”与“出口”关断。
结合图2a：液压电磁阀的励磁线圈之A1、A2端接通AC电压时，其产生的电磁力推动阀芯克服复位弹簧的阻力而向右移动，与阀芯相连接的一组活塞也随之右移，所述的液压电磁阀之2口与3口、1口与4口便被接通。
结合图2b：液压电磁阀的励磁线圈中的AC电压关断时，阀芯失磁力，受复位弹簧的作用而左移，活塞也随之左移，所述的液压电磁阀“复位”，其之1口与2口、4口与5口便被接通。
综上所述，交流电磁阀的工作过程可分为“推动”、“保持”“复位”三个阶段：
1、推动：励磁线圏的A1、A2端与AC电压接通,电磁力推动阀芯运动；
2、保持：阀芯到达设定的位置，励磁线圏继续与AC电压接通,阀芯继续受电磁力作用而保持在设定的位置上；
3、复位：励磁线圏断开AC电压,阀芯失电磁力作用而复位。
显尔易见，在推动阶段，阀芯必须克服静摩擦力与复位弹簧的弹力需较大的电磁力作用才能运动。与此相对应，AC电压必须提供较高的电压、较大的功率(以下称推动功率)励磁线圏才能产生较大的电磁力，方能保证阀芯的运动。
在保持阶段，阀芯已到达设定位置，只须克服复位弹簧的弹力就可保持在设定位置上。与此相对应，若此时励磁线圏仍通以与推动阶段－样高的交流电压，将造成能量浪费并使励磁线圏无惠的升温！
传统的交流电磁阀由于推动与保持阶段励磁线圏中均通以相同交流电电压(例如AC220V),因此存在以下的严重缺点：
1、发热：前已述，在推动和保持阶段,传统的交流电磁阀均通以相同交流电压(例如AC220V)，因此，发热严重，励磁线圏因过热而烧毁的现象也屡屡发生；
2、耗电：传统的交流电磁阀发热的能源就是输入励磁线圏中电能,此种有害的发热带来的另一个缺点就是无谓的耗电。减少这种耗电,就可取得“节电”的效果；
3、失控：励磁线圏发热之后，其阻抗增加，电流变小，电磁力亦随之减小而不能推动阀芯至设定位置，家用电器或工控设备会因此而系统失控。
针对传统的交流电磁阀的缺点,本发明要迖到的目标是：
1、“用电子技术改造传统产业”，设计一种电子线路尽量简单的、所用器件尽量少的、价格尽量廉的、可使传统交流电磁阀节电的“节电单元”；
2、该“节电单元”可用于改造在线使用的传统交流电磁阀,使这些交流电磁阀升級成为具有节电功能的交流电磁阀；
3、该“节电单元”也可集成到将要生产的交流电磁阀中,使交流电磁阀的制造商生产出与“节电单元”一体化的新型的具有节电功能的“节电型交流电磁阀”。
发明内容
为了达到上述目标,本发明设计的技术方案是：一种具有集成电路模块的节电型交流电磁阀,包括节电单元100与传统交流电磁阀两部份,其特征在于：所述的节电单元100由AC-DC转换电路101、开关脉冲发生电路102、开关电路103、降压电路104、双极型瞬态电压抑止二极管TVS(Bipolar transient voltage suppression diode)组成，并且，所述的AC-DC转换电路101的输入端5端与AC电压的P1端相连接；所述的开关脉冲发生电路102的输入端7端与所述的AC-DC转换电路101的输出端6端相连接；所述的开关电路103的一端与所述的开关脉冲发生电路102的输入端7端相连接，另一端与所述的开关脉冲发生电路102的输出端9端相连接；所述的双极型瞬态电压抑止二极管TVS与励磁线圈L并联，其一端与励磁线圈L的A1端相连接，另一端与励磁线圈L的A2端相连接；所述的开关电路103之中的公共触点K1也与励磁线圈L的A2端相连接、动断触点K2与AC电压的P1端相连接、动合触点K3与降压电路104的一端相连接；降压电路104的另一端与AC电压的P1端相连接；所述的AC-DC转换电路101、开关脉冲发生电路102、励磁线圈L的A1端均与AC电压的P2端相连接。
所述的双极型瞬态电压抑制二极管TVS可以用压敏电阻器(pressure sensitiveresistor)、气体放电管(gaseous discharge tube)、半导体放电管(thyristor surgesuppressors)、静电抑止器(Electro-Static discharge)、或瞬态电压抑制器(TransientVoltage Suppressor)替代。
所述的开关脉冲发生电路102可以采用多种电路结构，本发明优选了以下三种：
(a)、三极管型：由输入端7、输出端9、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1以及三极管T1组成，它们的连接方式为：输入端7与所述的AC-DC转换电路101的输出端6端相连接；第一电阻R1的一端与输入端7相连接；另一端与第一电容C1的一端、第二电阻R2的一端、三极管T1的基极均相连接；第一电容C1的另一端、第二电阻R2的另一端、三极管T1的发射极均与AC电压的P2端相连接；三极管T1的集电极与输出端9相连接。
(b)、集成电路型Ⅰ型：由输入端7、输出端9、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第三电容C3以及集成电压比较器IC1组成，它们的连接方式为：输入端7与所述的AC-DC转换电路101的输出端6端相连接；第三电阻R3的一端、第五电阻R5的一端、集成电压比较器IC1的8脚均与输入端7相连接；第四电阻R4的一端、第六电阻R6的一端、集成电压比较器IC1的4脚、第三电容C3的一端均与AC电压的P2端相连接；第三电阻R3的另一端、第四电阻R4的另一端、第三电容C3的另一端均与集成电压比较器IC1的反相信号输入端2脚相连接；第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的另一端均与集成电压比较器IC1的同相信号输入端3脚相连接；集成电压比较器IC1的1脚与输出端9相连接。
(c)、集成电路型Ⅱ型：由输入端7、输出端9、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第四电容C4以及集成电压比较器IC2组成，它们的连接方式为：输入端7与所述的AC-DC转换电路101的输出端6端相连接；第四电容C4、第七电阻R7、第九电阻R9各自的一端以及集成电压比较器IC2的8脚均与输入端7相连接；第八电阻R8、第十电阻R10各自的一端以及集成电压比较器IC2的4脚均与AC电压的P2端相连接；第四电容C4的另一端、第七电阻R7的另一端、第八电阻R8的另一端均与集成电压比较器IC2的同相信号输入端3脚相连接；第九电阻R9的另一端、第十电阻R10的另一端均与集成电压比较器IC2的反相信号输入端2脚相连接；集成电压比较器IC2的1脚与输出端9相连接。
所述的开关电路103由第一二极管D1、继电器组成，所述的继电器包括其之线包J以及公共触点K1、动断触点K2、动合触点K3；它们的连接方式为：第一二极管D1与继电器线包J相并联后，其负极端与开关脉冲发生电路102的输入端7端相连接，另一端正极端与所述的开关脉冲发生电路102的输出端9端相连接；公共触点K1与双极型瞬态电压抑止二极管TVS的一端及励磁线圈L的A2端均相连接；动断触点K2与AC电压的P1端相连接、动合触点K3与降压电路104的一端相连接。
所述的继电器可以采用电磁继电器，也可以采用固态继电器、干簧继电器。
所述的降压电路104由第二电容C2组成，其一端与所述的开关电路103之动合触点K3相连接，另一端与AC电压的P1端相连接。
本发明的工作特性为：大功率推动、小功率保持。
应用本发明,可以取得以下有益效果：
1、节电。虽然推动阀芯至设定位置需高电压大功率，但由于此“推动”时间仅几毫秒,因此，电磁阀运行时，“推动”阶段的耗电量在总耗电量中所占的比例甚小，电磁阀运行时的耗电量的大小主要由“保持”阶段的功率(以下简称“保持功率”)大小来体现，保持功率大，其耗电量就大；反之，保持保持功率小，其耗电量就小，就节电。
本发明由于具有“大功率推动、小功率保持”的工作特性，因此，节电效率高。
实测－种型号的液压用的AC220V传统交流电磁阀的保持功率为34.6W，应用本发明后，保持功率下降为3.7W，节电效率达89％，由此可见,推广应用本发明,可以产生良好的节电效益。
2、温升小。温升是衡量电子或电器产品可靠性的重要指标，温升小，电子或电器产品的可靠性就高；反之，电子或电器产品的可靠性就低。本发明由于节电效率高，因此温升必然小。实际运行表明：在30℃室温的条件下，应用本发明所制造的交流电磁阀连续运行24小时后仍为室温，而传统交流电磁阀连续运行半小时后，已升温至60℃以上。
3、省漆包线。应用本发明，可以大幅度地节省绕制励磁线圈的漆包线。实测表明，－种液压用的AC220V交流电磁阀之励磁线圈的原须绕2500圈，应用本发明后，将该励磁线圈减至1000圈，交流电磁阀仍具有节电、温升小的优良性能。
附图说明
图1a为气或液用的交流电磁阀通电状态的示意图；
图1b为气或液用的交流电磁阀断电状态的示意图；
图2a为液压用的交流电磁阀通电状态的示意图；
图2b为液压用的交流电磁阀断电状态的示意图；
图3为本发明的原理方框图，图中：100为节电单元；
图4为实施例1的电路原理图；
图5为实施例2的电路原理图，
图6为实施例3的电路原理图；
图7a为AC-DC转换电路101的输出电压V1的波形图；
图7b为实施例1之脉冲电压VC的波形图。
具体实施方式
下面结合附图,说明本发明的实施方式。
图3为本发明的原理方框图，图中显示：一种节电型交流电磁阀,包括节电单元100与传统交流电磁阀两部份,其特征在于：所述的节电单元100由AC-DC转换电路101、开关脉冲发生电路102、开关电路103、降压电路104、双极型瞬态电压抑止二极管TVS组成，并且，所述的AC-DC转换电路101的输入端5端与AC电压的P1端相连接；所述的开关脉冲发生电路102的输入端7端与所述的AC-DC转换电路101的输出端6端相连接；所述的开关电路103的一端与所述的开关脉冲发生电路102的输入端7端相连接，另一端与所述的开关脉冲发生电路102的输出端9端相连接；所述的双极型瞬态电压抑止二极管TVS与励磁线圈L并联，其一端与励磁线圈L的A1端相连接，另一端与励磁线圈L的A2端相连接；所述的开关电路103之中的公共公共触点K1也与励磁线圈L的A2端相连接、动断触点K2与AC电压的P1端相连接、动合触点K3与降压电路104的一端相连接；降压电路104的另一端与AC电压的P1端相连接；所述的AC-DC转换电路101、开关脉冲发生电路102、励磁线圈L的A1端均与AC电压的P2端相连接。
图4为实施例1的电路原理图，图中显示：其由节电单元100和传统交流电磁阀组成，节电单元100则由AC-DC转换电路101、开关脉冲发生电路102、开关电路103、降压电路104、双极型瞬态电压抑止二极管TVS组成。
本实施例1中，开关脉冲发生电路102采用三极管型：其由输入端7、输出端9、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1以及三极管T1组成，它们的连接方式为：输入端7与所述的AC-DC转换电路101的输出端6端相连接；第一电阻R1的一端与输入端7相连接；另一端与第一电容C1的一端、第二电阻R2的一端、三极管T1的基极均相连接；第一电容C1的另一端、第二电阻R2的另一端、三极管T1的发射极均与AC电压的P2端相连接；三极管T1的集电极与输出端9相连接。
第一二极管D1、继电器组成了本实施例1的开关电路103，所述的继电器包括其之线包J以及公共触点K1、动断触点K2、动合触点K3；它们的连接方式为：第一二极管D1与线包J相并联后，其负极端与开关脉冲发生电路102的输入端7端相连接，另一端即正极端与所述的开关脉冲发生电路102的输出端9端相连接；公共触点K1与双极型瞬态电压抑止二极管TVS的一端及励磁线圈L的A2端均相连接；动断触点K2与AC电压的P1端相连接、动合触点K3与降压电路104的一端相连接。
本领域的技术人员应该知道，开关电路103中的继电器可以采用电磁继电器，也可以采用固态继电器、干簧继电器。
第二电容C2组成了降压电路104，其一端与所述的开关电路103之动合触点K3相连接，另一端与AC电压的P1端相连接。
所述的双极型瞬态电压抑止二极管TVS与励磁线圈L相并联，它们并联以后，励磁线圈L的A1端接AC电压的P2端，A2端接开关电路103中的继电器之公共端K1
本领域的技术人员应该知道：所述的励磁线圈L的A1端、A2端是可以互易连接的。
结合图4、图7a、图7b，可以说明本实施例1的工作过程。
t＝t1时，AC电压接通，AC-DC转换电路101输出电压V1，其波形用图7a表示。t＝t1时，由于第一电容C1上的电压为零，近似为短路，故三极管T1的基极、发射极之间的电压Vb≈0，三极管T1截止，其输出端9端电压Vc为高电平，继电器线包J无电流流通，其公共触点K1与动断触点K2之间为导通状态，AC电压直接施加于励磁电感L的两端，电磁阀进入“推动”阶段，在此阶段，AC电压为电磁阀提供较大的“推动功率”；
t＝t2时，随着V1电压通过第一电阻R1对第一电容C1充电的进程，第一电容C1上的电压即三极管T1的基极、发射极之间的电压Vb≥0.7v(指硅三极管，锗三极管则为0.3v)，三极管T1导通，电压Vc变为低电平，即三极管型的开关脉冲发生电路102之输出端9端输出低电平，开关电路103中的继电器线包J中有电流流通，公共触点K1与动断触点K2断开，与动合触点K3接通，电磁阀进入“保持”阶段。
在电磁阀的“保持”阶段，AC电压通过由第二电容C2组成的降压电路104为电磁阀提供保持功率，其过程为：在P1端为高电平P2端为低电平的AC电压正半周，AC电压沿着P1端—C2—K3—K1—A2端—L—A1端—P2端之路径为电磁阀提供保持功率；在P2端为高电平P1端为低电平的AC电压负半周，AC电压沿着P2端—A1端—L—A2端—K1—K3—C2—P1端之路径为电磁阀提供保持功率。上述路径中，AC电压均经第二电容C2降压后再施加在在励磁电感L的两端，因此，在“保持”阶段，AC电压提供的“保持功率”较小，远小于前述的“推动功率”。
t＝t3时，AC电压关断，AC-DC转换电路101输出电压V1降为零，电磁阀进入“复位”阶段，“阀芯”退至原位置。
简言之：根据推动阀芯至设定位置须用大功率，保持阀芯在设定位置只须小功率的电磁阀工作原理所作的设计，本发明的特征之一为：推动阶段以大功率运行，保持阶段以小功率工作，或简述为：大功率推动、小功率保持。
实施“大功率推动、小功率保持”的运行方式，是本发明取得良好的节电效率之原因。
结合图7b，所述的三极管型的开关脉冲发生电路102之输出电压Vc为脉冲电压，t1～t2时域及相应的时域为脉冲“占”的时域，其输出高电平；t2～t3时域及相应的时域为脉冲“空”的时域，其输出低电平，其脉冲波形如图7b所示。
综上所述；可将本实施例的工作过程分为以下三个阶段：
1、t1～t2时域为推动阶段，在此t1～t2时域内，三极管T1截止，脉冲电压Vc为高电平，公共触点K1与动断触点K2处于导通状态，AC电压输入电磁阀推动阀芯所需的较大的“推动功率”；
2、t2～t3时域为保持阶段，在此t2～t3时域内，三极管T1导通，脉冲电压Vc为低电平，公共触点K1与动合触点K3为接通状态，通过第二电容C2降压后，AC电压输入较小的“保持功率”；
3、t3～t4时域为复位阶段，在此t3～t4时域内，AC电压断电，节电单元100与电磁阀均复位。
t＝t4时，AC电压重新接通，电磁阀重新进入“推动”、“保持”、“复位”的工作周期中。
图5为实施例2的电路原理图，其之AC-DC转换电路101、开关电路103、降压电路104、双极型瞬态电压抑止二极管TVS均与实施例1相同。但开关脉冲发生电路102与实施例1不同。
结合图5，本实施例2之开关脉冲发生电路102采用集成电路型Ⅰ型：其由输入端7、输出端9、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第三电容C3以及集成电压比较器IC1组成，它们的连接方式为：输入端7与所述的AC-DC转换电路101的输出端6端相连接；第三电阻R3的一端、第五电阻R5的一端、集成电压比较器IC1的8脚均与输入端7相连接；第四电阻R4的一端、第六电阻R6的一端、集成电压比较器IC1的4脚、第三电容C3的一端均与AC电压的P2端相连接；第三电阻R3的另一端、第四电阻R4的另一端、第三电容C3的另一端均与集成电压比较器IC1的反相信号输入端2脚相连接；第五电阻R5的另一端、第六电阻R6的另一端均与集成电压比较器IC1的同相信号输入端3脚相连接；集成电压比较器IC1的1脚与输出端9相连接。
本实施例2简要的工作过程为；
1、推动阶段：第三电容C3上的电压即集成电压比较器IC1的反相信号输入端2脚上的电压低于其同相信号输入端3脚上的电压，与集成电压比较器IC1之1脚相连接的输出端9输出高电平，继电器线包J无电流流通，动断触点K2与公共触点K1为导通状态，AC电压输入较大的“推动功率”；
2、保持阶段：随着充电过程的延续，第三电容C3上的电压即集成电压比较器IC1的反相信号输入端2脚上的电压变为高于其同相信号输入端3脚上的电压，与集成电压比较器IC1之1脚相连接的输出端9输出低电平，继电器线包J有电流流通，其动合触点K3与公共触点K1接通，AC电压通过第二电容C2降压后输入较小的“保持功率”；
3、复位阶段：AC电压断电，节电单元100与电磁阀均复位。
与实施例1相比较，本实施例2工作过程与实施例1基本相同，所不同的是：输入到开关电路103的开关脉冲电压，在实施例1中是由三极管T1产生的，而在本实施例2则是由集成电压比较器IC1产生的。
图6为实施例3电路原理图，其之AC-DC转换电路101、开关电路103、降压电路104、双极型瞬态电压抑止二极管TVS，均与实施例2相同，但开关脉冲发生电路102与实施例2不同，实施例2采用的是集成电路型Ⅰ型开关脉冲发生电路，本实施例3采用的是集成电路型Ⅱ型开关脉冲发生电路。
结合图6，实施例3采用的集成电路型Ⅱ型开关脉冲发生电路由输入端7、输出端9、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第四电容C4以及集成电压比较器IC2组成，它们的连接方式为：输入端7与所述的AC-DC转换电路101的输出端6端相连接；第四电容C4、第七电阻R7、第九电阻R9各自的一端以及集成电压比较器IC2的8脚均与输入端7相连接；第八电阻R8、第十电阻R10各自的一端以及集成电压比较器IC2的4脚均与AC电压的P2端相连接；第四电容C4的另一端、第七电阻R7的另一端、第八电阻R8的另一端均与集成电压比较器IC2的同相信号输入端3脚相连接；第九电阻R9的另一端、第十电阻R10的另一端均与集成电压比较器IC2的反相信号输入端2脚相连接；集成电压比较器IC2的1脚与输出端9相连接。
比照实施例2可知，本实施例3工作过程与实施例2本相同。
所述的集成电压比较器IC1、集成电压比较器IC2均采用集成电路LM393，也可以选用集成电路TDC393、IR393、LA393、LA6393、MB47393、TA75393、AN6914、upc277c、LM293
本领域的技术人员应该知道：所述的双极型瞬态电压抑制二极管TVS可以用压敏电阻器(pressure sensitive resistor)、气体放电管(gaseous discharge tube)、半导体放电管(thyristor surge suppressors)、静电抑止器(Electro-Static discharge)、或瞬态电压抑制器(Transient Voltage Suppressor)替代
以上阐述了本发明的技术方案,一切不脱离本发明的技术方案实质的替代,都应在本发明的权利要求的范围內。
Claims (2)
1.一种具有集成电路模块的节电型交流电磁阀,包括节电单元(100)与传统交流电磁阀两部份,其特征在于：
其中，传统交流电磁阀由励磁线圈、阀芯、复位弹簧组成；
所述的节电单元(100)由AC-DC转换电路(101)、开关脉冲发生电路(102)、开关电路(103)、降压电路(104)、双极型瞬态电压抑止二极管TVS组成；
其中，所述的开关脉冲发生电路(102)由输入端(7)、输出端(9)、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第四电容C4以及集成电压比较器IC2组成，它们的连接方式为：输入端(7)与所述的AC-DC转换电路(101)的输出端(6)相连接；第四电容C4、第七电阻R7、第九电阻R9各自的一端以及集成电压比较器IC2的8脚均与输入端(7)相连接；第八电阻R8、第十电阻R10各自的一端以及集成电压比较器IC2的4脚均与AC电压的P2端相连接；第四电容C4的另一端、第七电阻R7的另一端、第八电阻R8的另一端均与集成电压比较器IC2的同相信号输入端3脚相连接；第九电阻R9的另一端、第十电阻R10的另一端均与集成电压比较器IC2的反相信号输入端2脚相连接；集成电压比较器IC2的1脚与输出端(9)相连接；
其中，所述的集成电压比较器IC2为集成电路，其型号为LM393、TDC393、IR393、LA393、LA6393、MB47393、TA75393、AN6914、upc277c或LM293。
2.如权利要求1所述的具有集成电路模块的节电型交流电磁阀，其中所述的双极型瞬态电压抑制二极管TVS可以用压敏电阻器、气体放电管、半导体放电管或静电抑止器替代。
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