CN105580101A - 用于为电气-机械式继电器的电线圈通电和断电的电气式继电器驱动装置 - Google Patents

用于为电气-机械式继电器的电线圈通电和断电的电气式继电器驱动装置 Download PDF

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Abstract

用于给电气-机械式继电器的电线圈通电和断电的电气式继电器驱动装置，包括：电源控制器，其适于在接近零交叉或零交叉周围的限定间隔内提供输出电压以将电容器装置充电到可选电压，电容器装置与电阻器连通以提供可用电流。适于提供升压电流的微控制器，使得当电气-机械式继电器的电线圈待通电时，电线圈初始在由微控制器设定的时间间隔内接收升压电流，并且此后从通过晶体管提供的可用电流接收升压电流，晶体管从电源控制器接收控制信号。

Description

用于为电气-机械式继电器的电线圈通电和断电的电气式继电器驱动装置
发明领域
本发明涉及改进的电气式继电器驱动装置，其适合于为电气-机械式继电器的电线圈通电和断电，从而致动并维持机械接触电极的物理结合或分离，以便使交流主电源与负载电路连通或断开。
更具体地说，本发明涉及在电气式继电器驱动器本身运行中提供能量效率和优化的改进，其也提高了电气-机械式继电器的机械接触电极的寿命和完整性。
背景技术
在大多数情况下，机电式继电器包括一个线圈，其在通电时会建立磁场，在常开继电器中，该磁场能够使可移动接触电极与固定机械式接触电极物理结合，以便接通交流主电源的电源端子之间的电路，或者可替换地，如果继电器是常闭结构，线圈通电建立磁场，该磁场将使物理接触的两个接触电极分离，从而断开交流主电源的电源端子之间的电路。
在大多数情况下，本发明涉及常开和常闭的继电器，其中本发明的重点是关于电气式继电器驱动装置如何能够按情况需要通电和/或断电，以满足使电机式继电器的机械接触电极分离或物理结合的要求。
本发明的目的是提供一种独特的方法，其中电气-机械式继电器的电线圈可以通电，以最大化电气式继电器驱动器和电气-机械式继电器本身的总能量效率，与此同时提供了一种机构，从而可以实现继电器的最佳寿命和寿命预期。
尽管电气式继电器驱动器用于为电气式继电器的电线圈通电和断电，但它必须提供或得到电源从而给线圈供电，以便建立必要的磁场。
有利的是，能够利用交流主电源，优选电磁继电器的负载电路控制的相同交流主电源，以协助该电源供给到电气-机械式继电器的电线圈。
有利的是，能够利用交流主电压电源，但是这样做无需更多的传统装置，例如线性线路调节器，它们尽管能够维持适合于继电器运行的理想输出电压，但为实现此目的，存在有热能形式的多余电能的显著耗散，因而电压输出与电压输入的最大总效率通常会由于电压差的浪费而不被接受。
再进一步，尽管降压变压器和开关模式的电源开关的使用试图从交流主电压电源提供合适的输出电压，但为了最终供电给机电式继电器的电线圈，实际连续供电的输出电压可能不是最佳方式，在其中可高效地给线圈供电并仍维持电气-机械式继电器的机械接触电极之间的合适的闭合和/或分离，以连通或断开来自交流主电压电源的负载电路。
因此，将特别有利的是，能够提供一种电气式继电器驱动装置，其能够直接驱动电气-机械式继电器的电线圈，而无需产生任何显著的热能形式的多余电能，以便建立电压输出与电压输入的最大能量效率，同时也降低了当电线圈通电时的能耗，从而降低了电路元件的工作温度，改善了电气-机电式继电器的寿命预期。
本发明的目的在于提供这样一种改进的电气式继电器驱动器。
本发明进一步的目的和优点在完成说明书的阅读后将变得显而易见。
发明概要
在本发明的一种形式中，提供了一种用于给电气-机械式继电器的电线圈通电和断电的电气式继电器驱动装置，所述装置包括；
适于接收整流交流主电压供应的电源控制器，所述电源控制器包括逻辑功能和/或适于在接近或大约零交叉的限定间隔内提供输出电压；
所述输出电压在接近或大约零交叉的限定间隔内适于给电容器装置充电到可选电压，所述电容器装置与电阻器进行通信以提供可用电流，所述电源控制器还包括用于向晶体管提供控制信号的输出，一旦从所述电源控制器接收到所述控制信号，所述晶体管提供可用电流到电气-机械式继电器的电线圈；
微控制器，其包括内部逻辑功能和/或适于提供升压电流，其中所述升压电流适于在确定的时间给电气-机械继电器的电线圈通电，由此在负载电路的交流主电压供给间隔的零交叉处将电气-机械式继电器的机械接触电极拉到一起，负载电路是由电气式继电器驱动装置驱动的；
从而当电气-机械式继电器的电线圈通电时，电线圈初始在由微控制器设定的时间间隔内接收升压电流，并且此后从通过晶体管提供的可用电流接收升压电流，晶体管从电源控制器接收控制信号。
优选电容器装置是单个电容器或多个并联的电容器。
这种装置的优点是：通过两个无缝阶段高效地给电线圈供电，首先，经微控制器启动供电过程，当机械接触电极需要物理结合或分离时，该过程通过确定的时间间隔，意味着机械接触电极的初始结合在交流主电压供应的零交叉处或期间完成，以便当负载电路通过机械接触电极连接在一起或分开的运动而连接或断开时，电压水平尽可能的低，从而使继电器关闭和开启过程中发生的电弧最小化。
电气-机械式继电器的电线圈的初始供电由微控制器确定，以避免机械接触电极的任何接触劣化，一旦接触已经实现，电流的供给凭借在规定的接近或大约零交叉的间隔内可用的电源控制器输出电压来持续。
因此，初始升压电流由微控制器控制之后，从那时起，大多数情况下，电线圈通过一系列确立的电流脉冲的可用电流来供电，当所测的交流主电压供给大约或接近零交叉时，由电源控制器仅在该时间间隔产生的电压获得该电流脉冲。
因此，尽管在某些意义上，电气式继电器驱动装置在交流主电压供给的零交叉(zerocrossing)处给线圈供电，但此连接紧随初始供电形成，其通过微控制器控制的升压电流确定，该微控制器不会在精确的零交叉处发送供电电流，而是以确定的时间间隔发送，以致考虑到由所需的电气-机械式继电器的机械接触电极物理结合限定的时滞，负载电路的机械接触电极的机械结合恰好在交流主电压供应的零交叉时完成。
因此，尽管继电器可直接由交流主电压供应驱动，但实际上其仅在接近交流主供应的零交叉处从交流主电压供应获取能量，因为这些电流脉冲在这些接近或大约零交叉的时间间隔获得，且当线圈需要供电时，这样的装置使得微控制器将首先经升压电流促进线圈供电，但是后续给线圈供电的电源的保持将经可用电流通过来自电源控制器的脉冲来实现，因为该电源控制器测量输入的交流主电压供应，它在接近或大约零交叉处的间隔内消耗规定的可输出电压。
优选地，电气式继电器驱动装置包括与适合于滤出可用电流的电气-机械式继电器的电线圈并联的电容器。
有利地，因为电流仅源于在接近零交叉或大约零交叉处规定的间隔内的电源控制器的输出电压，意味着没有耗散过量能量，因此以最小的损耗损失获得输出电压与输入电压相比的最大能量效率。
更进一步，因为电流以脉冲供给，脉冲最终负责向电线圈供电，因此不存在当包括降压变压器和开关模式电源开关的常规线性调节时人们通常期望的连续输出电压，所述常规线性调节将提供或至少建立可操作有源的连续输出电压，当磁场需要维持时，常规的电气-机械式继电器装置需要该连续输出电压以维持供电给电线圈。
有利地，因为电线圈供电时，电能消耗降低，这降低了继电器元件的运行温度，增加了预期寿命以及优化了能源效率。
优选地，用于电源控制器的电压输入直接从整流交流主电压供应经一系列电阻提供。
优选地，电源控制器为与电容器装置并联的单个或每个电容器充电到限定的电压。
优选地，通过电源控制器为与电容器装置并联的单个或每个电容器充电到大约5V。
优选地，电容器装置包括并联的第一和第二电容器。
优选地，第二电容器与电压调节器连接以为微控制器提供能量。
优选地，电气式继电器驱动装置包括感应电阻器以便设定可用电流值，其将通过晶体管以为电气-机械式继电器的电线圈提供可用电流。
优选地，晶体管为场效应晶体管(FET)。
优选地，电源控制器提供进入FET栅极的电流通路，以便电线圈经微控制器确立的升压电流驱动后，当要供电给电线圈时，电流达到FET的栅极，且可用电流以由与第一电容器连通的感应电阻器确定的水平通过所述FET。
优选地，当电流到达与电容器装置并联的单个电容器或每个电容器时，FET降低了电气式继电器的电流以维持阈值电压。
优选地，当供电给电线圈时，电气式继电器驱动装置利用保持电容器装置的电压低于第一电容器设定的阈值电压的分流电路，以使电流持续供应到FET的栅极，保持FET导通，以便在交流主供应的每个零交叉处为滤波电容器提供持续的脉冲电流。
有利地，电源控制器继续在交流主供应零交叉附近提供电流脉冲，但受限于其自身的阈值电压，优选设定为5V。因此电源控制器有利地仅提供和电源控制器电压调节器和微控制器需要的一样多的电流，当电线圈断电时，使装置具有非常低的待机功率利用。
正如所预期的，电线圈的初始供电或致动不与负载电路的交流主电压供应的零交叉同步，由于机械接触电极具有其物理接合在一起的固有滞后时间，因此如果两个机械接触电极的实际物理结合在交流主电源零交叉处实现，此滞后时间应该进行考虑。
因此，本发明的微控制器包括内部逻辑，其能够起作用，使电线圈在识别机械接触电极结合的固有延迟时间的适当时刻供电，以便当负载电路的电压水平处于零交叉附近的最低水平时，这样的定时使得机械接触电极的物理接触发生，从而最小化任何可能的电弧放电。
由升压电路而非脉冲提供的连续电流升压，快速地使机械接触电极结合并允许由微控制器确定的接触闭合时刻。
规定的升压时间耗尽之后，为了效率，然后电气式继电器驱动装置恢复到与交流主供应的零交叉同步，这通过与电源控制器连通工作的电容器装置的充电装置来确立。
优选初始为电线圈提供的升压电流持续大约15到25ms。
优选提供的升压电流持续大约20ms。
优选升压电流大约为50到160mA。
优选升压电流大约为65mA，其峰值电流约为150mA。
升压电流时间耗尽之后，优选电线圈的供电返回到电源控制器，其中当电线圈的供电不得不维持超出升压时间时，分流电路包括在内以与电容器装置结合工作，保持电容器装置的电压低于设定的阈值电压，从而使流入维持进入滤波电容器的连续电流脉冲的FET栅极的电流滤波通过电线圈。
因此，此电气式继电器驱动装置将提供一方法，通过该方法整流交流主供应将能够驱动低压机电式继电器。
通过包括具有内部功能的微控制器以在电气-机械式继电器的机械接触电极的物理闭合中识别固有延迟时间，这意味着当继电器控制的负载电路的交流主供应电压接近或围绕零交叉事件时，将仅发生电线圈的初始供电，在优选的实施方案中利用升压电路，通过在零交叉间隔之间提供高电平电流的分流将有助于继电器触点快速闭合，然后一旦机械接触电极之间的物理接触已经完成，电气式继电器驱动装置然后通过电源控制器恢复到高效的运行模式，所述电源控制器仅在交流主供应零交叉处获取功率脉冲。
当电线圈不再需要供电时，可达到第一电容器中提供的电压阈值水平，从而切断能量生成，在待机状态下建立电气式继电器驱动装置的低功率应用。
现在为了更详细地描述本发明，借助如下的示例说明优选的实施方案。
附图简述
图1是本发明优选的实施方案中电气式继电器驱动装置的示意电路图。
具体实施方式
现在详细地参照图1，其中电路(10)包括进入桥式整流器(18)的交流主电源有源点(14)和中性点(15)，其中有源点(14)与桥式整流器(18)通过金属丝薄轨道(20)分离。此金属丝的薄轨道(20)与保险丝的功能相同，但不那么大而且也没有将独立保险丝纳入电路(10)中的空间要求。
桥式整流器(18)提供了允许正整流脉冲(24)保持的电路基准(22)，其中通过示为电阻器(30a)、(30b)、(30c)的分压器，整流正脉冲(24)提供进入电源控制器(26)的电压输入(28)。
电源控制器(26)具有内部逻辑功能，以取得整流的正交流主电压供应脉冲(28)，并在一可选电压，在优选实施方案中是50V或更小，提供远离输入到电源控制器(26)的整流的正交流主电压供应任何峰值电压的电压输出，以便50V或以下的电压接近零交叉并且返回到50V时，输出这个较低电平的电压以将电容器(34)和(35)充电到阈值电压，在优选实施方式中阈值电压将为5V。
电容器(34)和(35)在本发明的概要中被描述为电容器装置。电容器(34)和(35)可以跟具有较大电容量的单个电容器一样简单。因为在电路中电容器(34)靠近电源控制器(26)并且电容器(35)靠近向微控制器(66)供电的电压调节器(64)，潜在地降低了电容器(34)(35)各自提供的电流波动，由于它们为电源控制器(26)和微控制器(66)供电，而非预期地来自于单个电容器。也允许使用陶瓷电容器，而不是电解电容器。
电容器(34)和(35)通过导线(36)提供电能(36)至电源控制器(26)，其中从电源控制器在(38)到场效应晶体管(FET)(40)的栅极(39)的输出，其开关特征将在下面进行更详细地讨论。有源点(14)穿过电线圈(50)到FET(40)穿过感应电阻器(48)，向充电电容器(34和35)提供电流。将电线圈(50)连接到电路(10)的负线(52)和正线(54)，和电容器(56)和齐纳二极管(58)一起，提供对脉冲电流的滤波效应，脉冲电流通过FET(40)发送以使电线圈(50)通电。24V的齐纳二极管(58)是为了保护24V继电器线圈(50)。通过齐纳二极管(58)分流任何接入电流，防止线圈(50)电压超过24V。
当电线圈(50)形成了常开电气-机械式继电器的一部分，电线圈(50)的通电产生了磁场，其将使可移动的机械接触电极(51)与固定机械接触电极(53)进行物理接触，以完成电气机械式继电器控制的负载电路(55)的两个电源端子(交流主电压供应)(57)之间的电负载电路(55)。
可替代地，如果继电器是常闭型的，电线圈通电以建立磁场，导致了两个机械接触电极的物理分离，断开了交流主供应的电源端子之间的电路，该交流主供应为电气-机械式继电器控制的负载电路供电。
本发明适用于继电器的两种类型，如即将对其进行更详细地讨论，微控制器(66)将负责控制机械接触电极(51)和(53)的初始接触和/或分离的定时，从而避免电弧，而在两者之间的时间，电线圈(50)的通电将通过电源控制器(26)和脉冲，其使可充电电容器(34)和(35)可在该间隔围绕交流主供应零交叉。
由FET(40)控制开关提供给电线圈(50)的电流电平取决于电容器(34)和(35)设定的阈值电压电平，以及与通过电源控制器(26)的感应通路(42)的电阻器(44)和电容器(46)结合的感应电阻器装置主要电阻器(48)。
当达到电容器(34)和(35)的阈值电压时，电源控制器(26)停止向FET(40)的栅极(39)提供线(38)上的电流，从而断开通过FET(40)到电线圈(50)上的电流。
当在微控制器(66)已经初始控制了升压电流以通过电路的升压电流部分为电线圈(50)通电时，其中电路示为不久将更详细地讨论的虚线(60)，通过虚线方式再次显示为(62)的分流电流装置包括双极的结型晶体管BJTNPN(82)、BJTNPN(83)和BJTPNP(84)，以及电阻器(86)、(88)、(92)和(94)与二极管(90)和(91)提供了一种装置，其中可充电电容器(34)和(35)的电压阈值，为了保持电压阈值仅仅低于设定电平，其如上介绍在优选实施方式中将是5V，以使电源控制器(26)将在50V或更小的设定零交叉间隔持续提供脉冲，其中通过电阻器(48)设置为穿过电容器(34)和(35)的电荷能够提供FET(40)的漏极侧(41)上的脉冲电流，因为电容器(34)和(35)的阈值电压仍然低于5V，线(38)上的信号或电流继续从电源控制器(26)流入FET(40)的栅极(39)。
然而重要的是，在电线圈(50)通过接通FET(40)变得同步于整流正交流主供应的零交叉之前，电线圈(50)的初始致动或通电是通过升压电流的，在微控制器(66)的控制下通过破折线或虚线(60)形式的参考电路的一部分。
升压装置(60)包括BJTPNP(68)、电阻器(70)、BJTNPN(74)、BJTPNP(72)、二极管(78)、电阻器(76)和BJTPNP(80)。(96)是升压电流定时电容器。该电容器(96)与电阻器(76)确定了施加升压电流的时间量。
微控制器(66)包括内部功能，其识别电气-机械继电器的机械接触电极(51)和(53)被物理结合在一起以连接负载电路和交流主供应时具有的固有延迟时间。
将微控制器(66)编程，以至将实现通过装置(60)进入继电器的电线圈(50)的升压电流的定时，使得当电线圈(50)需要第一次通电时，机械接触电极(51)和(53)之间的物理接触发生在交流主供应的电压在大约零交叉时。
升压装置(60)提供电流升压，优选为具有150mA峰值能力的65mA电流。100到150mA的50Hz交流主供应为20ms。
20ms的65mA的升压非常迅速地使机械接触电极(51)和(53)关闭，并且如上介绍，考虑到关于机械接触电极聚集到一起的固有延迟时间，接触时间的时刻是通过微控制器定时的，所以这一切在交流主供应的零交叉时刻发生，以保护机械接触电极以提高它们的寿命预期。
在20ms的升压时间已经耗尽之后，电路恢复成与电源控制器(26)同步，其利用了通过在整流正零交叉或者附近提供交流主供应的脉冲电压输出(32)实现的效率，在优选实施方式中其起始于50V或更小，以给电容器(34)和(35)充电，并且当分流装置(62)保持电容器(34)和(35)的阈值电平低于5V时，使用电流的持续脉冲以给电线圈(50)通电。
继电器线圈(50)是与FET(40)串联的，其中65mA(在硬件中可调以适应选择的继电器)可通过分流装置(62)分流。如果需要的话，剩余的150mA可以将电容器(34)和(35)充电到阈值电压。
当将电线圈(50)断电时，电源控制器(26)继续提供围绕交流主供应零交叉的电流脉冲，但是现在受限于它自己放置在电容器(34)和(35)上的阈值的调节，而不是通过任何既定电流限制。
由于通过电容器(34)和(35)达到阈值电压，进入FET(40)的的栅极(39)的电流(38)是封闭的，并且将电流从电线圈(50)中除去。
在这种情况下控制器(26)的电源仅仅提供所需的电流，通过电容器(34)给电源控制器(26)并通过(100)的电压给电压调节器(64)供电，为了调节输出电压(102)以给微控制器(66)提供动力(108)。如上介绍(96)是升压电流定时电容器。该电容器(96)与电阻器(76)确定了施加升压电流的时间量。(106)是用于微控制器(66)的供应电容器。这是3.3V的供应。(112)是用于微控制器(66)电源(108)的高频旁路电容器。
通过电阻器(116)并送入电阻器(121)的信号用于给微控制器(66)提供交流主电压供应的零交叉信息。这个信号形成了过滤的主供应零交叉信号。将该信号与由电阻器(118)和(119)提供的基准信号进行比较，电阻器(118)和(119)形成了分压器。将这两个信号送入比较器(未示出)，该比较器提供了微控制器(66)零交叉信息，使得继电器装置可以接近或围绕主供应零交叉定时。电容器(120)作为滤波电容器。
电阻(103)和(105)在继电器打开(断电)事件的时候将电源控制器的阈值电压从5V调整到4V，以确保在此时没有从继电器线圈吸取的电流。其允许更加可预测的开启持续时间。

Claims (17)

1.一种用于给电气-机械式继电器的电线圈通电和断电的电气式继电器驱动装置，所述装置包括：
适于接收整流交流主电压供应的电源控制器，所述电源控制器还适于在接近或大约零交叉的限定间隔内提供输出电压；
所述输出电压在接近或约零交叉的限定间隔内适于给电容器装置充电到可选电压，所述电容器装置与电阻器连通以提供可用电流，所述电源控制器还包括向晶体管提供控制信号的输出，一旦从所述电源控制器接收到所述控制信号，所述晶体管提供可用电流到电气-机械式继电器的电线圈；
适于提供升压电流的微控制器，其中所述升压电流适于在确定的时间给电气-机械式继电器的电线圈通电，由此在负载电路的交流主电压供应间隔的零交叉处将电气-机械式继电器的机械接触电极拉到一起，负载电路是由电气式继电器驱动装置驱动的；
从而当电气-机械式继电器的电线圈待通电时，电线圈初始地在由微控制器设定的时间间隔内接收升压电流并且此后从通过晶体管提供的可用电流接收升压电流，晶体管从电源控制器接收控制信号。
2.如权利要求1所述的电气式继电器驱动装置，其中所述电容器装置是单个电容器或多个并联电容器。
3.如权利要求1所述的电气式继电器驱动装置，还包括滤波电容器，其适于滤出可用电流到电气-机械式继电器的电线圈。
4.如权利要求3所述的电气式继电器驱动装置，其中用于电源控制器的电压通过一系列的电阻器直接取自整流交流主电压供应。
5.如权利要求4所述的电气式继电器驱动装置，其中所述电源控制器给电容器装置的单个或每个电容器充电到规定电压。
6.如权利要求5所述的电气式继电器驱动装置，其中通过电源控制器将电容器装置的单个或每个电容器充电至5V。
7.如权利要求2所述的电气式继电器驱动装置，其中所述电容器装置包括并联的第一和第二电容器。
8.如权利要求7所述的电气式继电器驱动装置，其中第二电容器与电压调节器连通，以给微控制器供电。
9.如权利要求1所述的电气式继电器驱动装置，还包括感应电阻，以便提供可设定数值的可用电流，其通过晶体管传送以为所述电气-机械式继电器的电线圈提供可用电流。
10.如权利要求1所述的电气式继电器驱动装置，其中所述晶体管是场效应晶体管（FET）。
11.如权利要求10所述的电气式继电器驱动装置，其中所述电源控制器提供进入FET的栅极的电流通路，使得当已经初始从升压电流给所述电线圈充电时，电流随后被提供给FET的栅极，以使可用电流在与第一电容器连通的感应电阻器确定的电平上通过所述FET。
12.如权利要求11所述的电气式继电器驱动装置，其中当第一电容器达到阈值电压时，所述FET切断了到电气-机械式继电器的线圈的可用电流。
13.如权利要求12所述的电气式继电器驱动装置，包括分流装置，其适于保持第一电容器的电压低于第一电容器的阈值电压，使得把电流保持到FET的栅极以保持FET接通。
14.如权利要求1所述的电气式继电器驱动装置，其中所述初始提供给电线圈的升压电流的周期为12-25ms。
15.如权利要求14所述的电气式继电器驱动装置，其中所述升压电流的周期为约20ms。
16.如权利要求15所述的电气式继电器驱动装置，其中所述升压电流约为65mA。
17.如权利要求16所述的电气式继电器驱动装置，其中所述升压电流峰值约为150mA。
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