CN105202250A - 一种低压电磁式电器的节能驱动装置 - Google Patents

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Abstract

一种低压电磁式电器的节能驱动装置，其特征在于采用PWM技术，通过节电脉冲宽度调制程序控制脉宽调制改变占空比，使大功率场效管导通电流进入占空比为开时间20％的控制方式，产生占空比为20％的工作频率的方波；设启动、停止按钮，含有该节电程序的单片机节能驱动电路模块集成在应用设备的控制电路中，连接在电源、启动、停止信号输入端与低压电磁式电器线圈之间，构成节能驱动装置；只要提供额定电压，选择好电路中功率管的反向耐压参数，就能适合于不同类型的低压电磁式电器；该节能模块电路还可做成单独产品随低压电磁式电器一同安装；或者嵌入该电器内部做成节能低压电磁式电器。大大减少了低压电磁式电器的功耗，并且克服直接对低压电磁式电器断电的缺陷。

Description

一种低压电磁式电器的节能驱动装置
技术领域
本发明属于电源驱动装置，是一种节能的驱动装置，用于完成对直流或交流接触器、继电器、电磁阀等低压电磁式电器的吸合与断开控制。
背景技术
目前直流或交流接触器、继电器、电磁阀等低压电磁式电器应用广泛，尤其是在完成大电流、高负载的切换开启与关闭或流量控制过程中。低压电磁式电器的驱动线圈中流过的电流必须要足够大，并由于线圈属于感性负载，启动电流比较大，这样此类低压电磁式电器正常工作的时候，其线圈通常保有很大维持电流，功耗较大，发热耗电严重。
以24v电磁阀为例，吸合电流为1.35A，稳态电流1.3A(功耗为31.2w)，释放电压为8V,最小维持电流是0.38A(功耗为3w)。
此前，本申请人辽东学院已经有一项减小驱动电压的专利，ZL201420300448.0，一种电磁阀的节能驱动装置，采用直流电源、集成电路、三极管、电阻、电容，其特征在于该电路为模块，连接在电源、启动信号输入端与电磁阀线圈之间。其作业状态：“外加直流电源一端通过电磁阀线圈加到驱动三极管Q1集电极，另一端通过三端稳压器U1给延时集成电路U2供电。当低电平启动信号经接线插座A的脚1端输入时，延时集成电路U2的输出脚3输出高电平经过基极限流电阻R4为驱动三极管Q1提供基极电流、使驱动三极管Q1饱和导通，此时外加直流电源完全加在电磁阀线圈的两端，使电磁阀全电压启动，完成电磁阀额定电流下快速开启过程。”这种工作方式是：开始时满电压驱动，延时一定时间，然后减小驱动电压，达到节能的目的。但是该项中缺少对电磁阀的停止控制按键。由于没有停止控制，要想关断此类电器，只能采取手动或其它联动关断电源，来完成电磁阀的关断。关电源的方法对于电路控制不是最好的方法，因为稳定的电源建立需要时间，所以电路一开始是不稳定的。况且也不符合低压电磁式电器的控制习惯，低压电磁式电器一般控制方式是启动与停止。
发明内容
本发明的目的是提供一种低压电磁式电器的节能驱动装置，通过程序控制，采用PWM脉宽调制技术改变占空比，产生占空比为20％的方波，在不减小驱动电压前提下，可以使低压电磁式电器吸合并使吸合电流降为满负荷时的20％，大大减少了低压电磁式电器的功耗，实现节能降耗目的。
这种低压电磁式电器的节能驱动装置，采用单片机、直流电源、三极管、大功率场效应管、电阻、电容，接线端子及PWM控制程序，其特征在于：采用PWM技术，通过节电脉冲宽度调制程序控制脉宽调制改变占空比，设启动、停止按钮，所述程序控制大功率场效应管输出或关闭给线圈的电流，当启动开关为开时，电流经过驱动三极管及光耦变换，使大功率场效管导通即开线圈电流进入占空比为开时间20％的控制方式，产生占空比为20％的工作频率的方波；当关闭开关状态时，对关线圈电流实施占空比为关80％的控制方式；各开、关动态之间加延时50ms，防止误操作；该节电脉冲宽度调制程序固存在单片机内，含有该单片机的节能驱动电路连接：三端稳压器和单片机通过防干扰电容、第一、二滤波电容共同连接电源并接地、单片机与三端稳压器之间设置开、关的开关和各自的上拉电阻，单片机脚连接驱动三极管，驱动三极管通过光耦及第一、二电阻、限流电阻连接大功率场效应管，续流二极管的负极与低压电磁式电器线圈的一端及+电源端子相连，续流二极管的正极再连接到低压电磁式电器线圈的另一端并与线圈端子、大功率场效应管的漏极相连；所述节能驱动电路以模块电路集成在应用设备的控制电路中，连接在电源、启动、停止信号输入端与低压电磁式电器线圈之间，构成节能驱动装置；只要提供额定电压，选择好电路中功率管的反向耐压参数，就能适合于不同类型的低压电磁式电器，实现节能驱动作用；该驱动装置的节能模块电路还可以做成单独产品随低压电磁式电器一同安装；或者嵌入到低压电磁式电器内部，和低压电磁式电器做成一体，做成节能低压电磁式电器。
本发明的优点：本设计就是基于以上因素通过电路及节电脉冲宽度调制程序来共同完成对低压电磁式电器的控制与驱动。当电磁式电器在开开关S1按下时，单片机单片机输出高电平，通过驱动三极管、光耦及大功率场效应管，让低压电磁式电器线圈通入足够大的电流，使其在额定电流下动作吸合，经过短暂的延时后，采用脉宽调制技术改变占空比，使低压电磁式电器线圈中保持一个比较小的维持电流，维持低压电磁式电器的开启状态，一直到关开关S2闭合，单片机输出低电平，通过驱动三极管、光耦及大功率场效应管，令低压电磁式电器的线圈失电而断开。本发明设置停止按键，来完成对电磁阀的关断，克服之前所述专利中直接对低压电磁式电器断电方式的不足。
由于低压电磁式电器开启时需要足够的电流，本发明的低压电磁式电器的节能驱动装置能够确保低压电磁式电器在开启过程中产生足够大的电磁作用力,缩短开启响应时间。当低压电磁式电器开启后，因低压电磁式电器内部电磁铁工作气隙较小，磁路磁阻很低，电磁线圈通入较小的保持电流便能产生足够大的电磁作用力以保证低压电磁式电器的可靠开启。低压电磁式电器小的保持电流可以降低能量消耗，减小线圈发热，既节约了能量同时也有利于电磁式电器的快速闭合。对于不同型号的低压电磁式电器，其直流电阻略有差异。但是根据其工作原理，大电流启动，小电流维持的作业状态是一致的，而且启动电流和维持电流相差非常大。这就使启动功率和维持功率相差巨大，由于不需要大的电流维持低压电磁式电器的吸合状态，因此节能效果显著。
附图说明
图1是本设计低压电磁式电器节能驱动装置的电路连接示意图；
图2是低压电磁式电器节能驱动装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明低压电磁式电器的节能驱动装置，采用由硬件单片机(mcu)、直流电源、三极管、大功率场效应管、电阻、电容，接线端子及PWM程序，其特征在于采用PWM技术，对模拟信号电平进行数字编码，通过程序控制脉宽调制改变占空比，该节电驱动器程序固存在单片机内，连接在电源、启动、停止信号输入端与电磁阀线圈之间；见图1，含有该程序的节能驱动电路的连接：三端稳压器U3的接地端3脚和单片机U1的4脚，防干扰电容C1、第一滤波电容C2和第二滤波电容C3的负极、光耦限流电阻R4、开启开关S1和关闭开关S2的一端一同与0V端子及-电源端子相连、接地；防干扰电容C1、第一滤波电容C2的正极一同接于三端稳压器U3的V+端子输入端1脚。开启开关S1的上拉电阻R1、关闭开关S2的上拉电阻R2和滤波电容C3的正极、单片机U1电源正的2脚及驱动三极管Q1的发射极一同连接在一起，并与三端稳压器U3的输出脚2脚及+电源V+端子相连；开启开关S1的另一端与其上拉电阻R1的一端及单片机U1的1脚相连，作为启动低压电磁式电器信号；关闭开关S2的另一端与其上拉电阻R2一端及单片机U1的3脚相连，作为关闭低压电磁式电器信号；基极限流电阻R3的一端接于单片机U1的8脚，另一端接驱动三极管Q1的基极、驱动三极管Q1的集电极接光耦U2的1脚，光耦U2的2脚接光耦限流电阻R4的一端；同时第一分压电阻R5、第二分压电阻R6、限流电阻R7的一端和光耦U2的4脚接到一起、第一分压电阻R5的另一端接到三端稳压器U3的输入端1脚，第二分压电阻R6的另一端和光耦U2的3脚、大功率场效应管Q2的源极及三端稳压器U3的接地端3脚和单片机U1的4脚接到一起，限流电阻R7的另一端接到大功率场效应管Q2的栅极；续流二极管D1的负极与低压电磁式电器线圈L1的一端及+电源端子相连，续流二极管D1的正极再连接到低压电磁式电器线圈L1的另一端并与线圈端子、大功率场效应管Q2的漏极相连。所述大功率场效应管是泛指，在电子学中三极管可以分为小功率三极管，中功率和大功率。该零件功率参数还需要根据具体电路需要具体计算。
所述低压电磁式电器驱动装置的脉冲宽度调制程序：
P3.3为1代表高电平，1S代表时间。
制作成小模块：见图2，该驱动装置中，将图1所示电路制成模块电路，即将图1电路整体不动地固化在模块内，集成在应用设备的控制电路中，连接在电源、启动、停止信号输入端与电磁阀线圈之间，适合于不同类型的低压电磁式电器。只要提供额定电压，选择好电路中功率管的反向耐压参数，就能实现节能驱动作用。根据不同低压电磁式电器的外形和内部结构确定线路板大小和形状并将其安装位置。将低压电磁式电器的驱动线圈接于图2的线圈端子，+电源端子和-电源端子接于低压电磁式电器的额定工作电压；V+为直流电压24V，0端子接于-24V。
该驱动装置模块电路也可以单独制作做成一个体积很小的模块，随低压电磁式电器一同安装，用在使用低压电磁式电器数量比较少的场合。还可以嵌入到低压电磁式电器内部，和低压电磁式电器做成一体，做成节能低压电磁式电器。或者将多个节能驱动电路做在一块电路板上，制成一个多单元、分别控制的低压电磁式电器节能驱动装置，通过连接端子将各个低压电磁式电器接入该装置各单元中。只要接入工作所需电源和控制信号，就能完成大电流启动，小电流维持的节能驱动作用，对低压电磁式电器的原有功能无影响。连接要看具体封装的是哪种低压电磁式电器，加之驱动电压也不一样，不同的单片机管脚定义也有区别。
作业状态
外加电源一端通过低压电磁式电器的线圈加到驱动三极管Q2漏极，另一路外加直流电源通过三端稳压器U3给单片机U1供电。当低电平开信号经接线端子S1的端子输入单片机的1脚时，单片机U1的8脚输出高电平经过基极限流电阻R3，使驱动三极管Q1截至，使光耦U2内部的发光二极管截至，此时外加直流电源经第一分压电阻R5、第二分压电阻R6分压后，经限流电阻R7完全加在大功率场效应管Q2栅极，使低压电磁式电器线圈L1有电流流过，完成吸合动作。在延时1s后，单片机U1的8脚输出的驱动信号变成占空比为20％的方波，经驱动三极管Q1和光耦U2及第一分压电阻R5、第二分压电阻R6的共同作用使大功率场效应管Q2工作于开关状态，使低压电磁式电器线圈L1有断断续续的电流流过，达到节能的目的，并且不影响此类电器的工作状态。当低电平关信号经接线端子S2的端子输入单片机U1的3脚时，单片机U1的8脚输出低电平经过基极限流电阻R3为驱动三极管Q1提供基极电流、使驱动三极管Q1饱和导通，光耦U2内部的发光二极管导通，此时外加直流电源经分压电阻R5、光耦U2内部的3、4脚短接对地短路，大功率场效应管Q2栅极无驱动电压，低压电磁式电器的线圈无电流流过，完成断开动作。直到下次开启开关S1的端子再次为低电平止。低压电磁式电器两端并联的续流二极管D1起续流作用，防止低压电磁式电器关断时低压电磁式电器线圈L1的反向电压击穿大功率场效应管Q2。

Claims (5)

1.一种低压电磁式电器的节能驱动装置，采用单片机、直流电源、三极管、大功率场效应管、电阻、电容，接线端子及PWM控制，其特征在于：采用PWM技术，通过节电脉冲宽度调制程序控制脉宽调制改变占空比，设启动、停止按钮，所述程序控制大功率场效应管输出或关闭给线圈的电流，当启动开关为开时，电流经过驱动三极管及光耦变换，使大功率场效管导通即开线圈电流进入占空比为开时间20％的控制方式，产生占空比为20％的工作频率的方波；当关闭开关状态时，对关线圈电流实施占空比为关80％的控制方式；各开、关动态之间加延时50ms，防止误操作；该节电脉冲宽度调制程序固存在单片机内，含有该单片机的节能驱动电路连接：三端稳压器(U3)和单片机通过防干扰电容、第一、二滤波电容(C2、C3)共同连接电源并接地、单片机与三端稳压器(U3)之间设置开、关的开关(S1、S2)和各自的上拉电阻(R1、R2)，单片机(3)脚连接驱动三极管(Q1)，驱动三极管(Q1)通过光耦及开、关开关的上拉电阻(R1、R2)、限流电阻(R3)连接大功率场效应管(Q2)，续流二极管(D1)的负极与低压电磁式电器线圈(L1)的一端及+电源端子相连，续流二极管(D1)的正极再连接到低压电磁式电器线圈(L1)的另一端并与线圈(L1)端子、大功率场效应管(Q2)的漏极相连；所述节能驱动电路以模块电路集成在应用设备的控制电路中，连接在电源、启动、停止信号输入端与低压电磁式电器线圈之间，构成节能驱动装置；只要提供额定电压，选择好电路中功率管的反向耐压参数，就能适合于不同类型的低压电磁式电器。
2.根据权利要求1所述的低压电磁式电器的节能驱动装置，其特征在于节能驱动电路的连接关系：三端稳压器(U3)的接地端3脚和单片机(U1)的4脚，防干扰电容(C1)、第一滤波电容(C2)和第二滤波电容(C3)的负极、光耦限流电阻(R4)、开启开关(S1)和关闭开关(S2)的一端一同与0V端子及-电源端子相连、接地；防干扰电容(C1)、第一滤波电容(C2)的正极一同接于三端稳压器(U3)的V+端子输入端1脚；开启开关(S1)的上拉电阻(R1)、关闭开关(S2)的上拉电阻(R2)和滤波电容(C3)的正极、单片机(U1)的2脚及驱动三极管(Q1)的发射极连接在一起，并与三端稳压器(U3)的输出脚2脚及+电源V+端子相连，同时开启开关(S1)的另一端与开启开关(S1)的上拉电阻(R1)的一端及单片机(U1)的1脚相连，作为启动低压电磁式电器信号；关闭开关(S2)的另一端与关闭开关(S2)的电阻(R2)的一端及单片机(U1)3脚相连，作为关闭低压电磁式电器信号；基极限流电阻(R3)的一端接于单片机(U1)8脚，另一端接驱动三极管(Q1)的基极；驱动三极管(Q1)的集电极接光耦(U2)的1脚，光耦(U2)的2脚接光耦限流电阻(R4)的一端；同时第一分压电阻(R5)、第二分压电阻(R6)、限流电阻(R7)的一端和光耦(U2)的4脚接到一起、第一分压电阻(R5)的另一端接到三端稳压器(U3)的输入端1脚，第二分压电阻(R6)的另一端和光耦(U2)的3脚、大功率场效应管(Q2)的源极及三端稳压器(U3)的接地端3脚及单片机(U1)的4脚接到一起；限流电阻(R7)的另一端接到大功率场效应管(Q2)的栅极；续流二极管(D1)的负极与低压电磁式电器线圈(L1)的一端及+电源端子相连，续流二极管(D1)的正极再连接到低压电磁式电器线圈(L1)的另一端并与线圈端子、大功率场效应管(Q2)的漏极相连。
3.根据权利要求1所述的低压电磁式电器的节能驱动装置，其特征在于所述低压电磁式电器驱动装置的脉冲宽度调制程序：
低压电磁式电器驱动装置的具体程序
4.根据权利要求1所述的低压电磁式电器的节能驱动装置，其特征在于将所述含有节电脉冲宽度调制程序的节能驱动电路模块,可以做成单独产品随低压电磁式电器一同安装；或者集成在应用设备的控制电路中，连接在电源、启动和停止信号输入端与电磁阀线圈之间，嵌入低压电磁式电器内部、同低压电磁式电器做成一个整体结构，即节能低压电磁式电器。
5.根据权利要求3所述的低压电磁式电器的节能驱动装置，其特征在于所述节能驱动电路制成模块电路，在大批量使用低压电磁式电器的场合，将所述多个节能驱动电路制做在一块电路板上，制成一个多单元、分别控制的低压电磁式电器节能驱动装置，通过连接端子将各个低压电磁式电器接入该装置各单元中。
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