CN106384695B - 一种高压直流继电器的节能控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压直流继电器的节能控制器，包括有输入电路、辅助电源电路、电压采样电路和控制电路，输入电路通过电压采样电路与控制电路连接，输入电路通过辅助电源电路与控制电路连接，控制电路的输出端连接高压直流继电器的线圈。本发明通过电压采样电路采集输入电压传输给控制电路，控制电路根据输入电压调整占空比的PWM波，从而调整继电器线圈电压的有效值，大大降低高压继电器线圈一直处于工作状态下的功耗，减少发热，从而提高高压直流继电器的使用寿命。

Description

一种高压直流继电器的节能控制器

技术领域

本发明涉及继电器领域，具体是一种高压直流继电器的节能控制器。

背景技术

高压直流继电器主要应用于电动汽车系统中，起控制和隔离作用。继电器内部通过线圈驱动电磁铁工作，当继电器工作时，线圈通电，电磁铁吸合；当继电器停止工作时，线圈断电，电磁铁断开。但是，现有的高压直流继电器工作时，继电器线圈一直处于工作状态，不断持续发热，当输入电压增大时，继电器线圈的功率也随之增大，继电器线圈的发热量增大。随着热量的积累，高压继电器的温度会逐步升高，由于高压继电器的触点内部充满氮气，气压为2个大气压，在温度升高时体积膨胀，气压增大，可能会导致继电器发生爆炸，产生安全隐患。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高压直流继电器的节能控制器，根据输入电压的不同智能地输出相应占空比的PWM波，调整继电器线圈电压的有效值，大大降低继电器线圈的功耗。

本发明的技术方案为：

一种高压直流继电器的节能控制器，包括有输入电路、辅助电源电路、电压采样电路和控制电路，所述的输入电路通过辅助电源电路与控制电路连接，所述的输入电路通过电压采样电路与控制电路连接，所述的控制电路的输出端连接高压直流继电器的线圈。

所述的输入电路包括有电容C7、二极管D8和电感L2，所述的电容C7的一端与电源正极连接，电容C7的另一端接地，所述的二极管D8的正极与电源正极连接，二极管D8的负极分别与电压采样电路的输入端、辅助电源电路的输入端连接，所述的电感L2的一端与电源负极连接，电感L2的另一端接地。

所述的控制电路包括有单片机U2、场效应管芯片U3、稳压二极管D3、电感L1、二极管D1、二极管D2、二极管D6、电容C8、电容C6、电阻R1、电阻R2、电阻R0和电阻R4，所述的单片机U2的电源输入端与辅助电源电路的输出端连接，单片机U2的I/O端口与电压采样电路的输出端连接，单片机U2的信号输出端通过电阻R2与场效应管芯片U3的G2端连接，电阻R0的一端连接于电阻R2与场效应管芯片U3的G2端之间，电阻R0的另一端接地，所述的场效应管芯片U3的S2端接地，场效应管芯片U3的D2端与S1端连接，场效应管芯片U3的D1端连接输出负极，所述的电源正极通过电感L1与二极管D1的正极连接，电容C8的一端、二极管D6的正极均与二极管D1的负极连接，电容C8的另一端接地，二极管D6的负极通过电阻R1后连同稳压二极管D3的负极、电容C6的一端、电阻R4的一端均与场效应管芯片U3的G1端连接，稳压二极管D3的正极、电容C6的另一端、电阻R4的另一端、场效应管芯片U3的S1端均与二极管D2的正极连接，二极管D1的负极、二极管D2的负极均与输出正极连接，所述的输出正极和输出负极之间连接有所述的高压直流继电器的线圈。

所述的辅助电源电路包括有场效应管V1、稳压芯片U1、电容C1、电容C2和电阻R7，场效应管V1的漏极与二极管D8的负极连接，场效应管V1的源极连接稳压芯片U1的输入端，场效应管V1的栅极连接稳压芯片U1的输出端，所述的电容C1的一端、电阻R7的一端均与稳压芯片U1的输出端连接，所述的电阻R7的另一端、电容C2的一端均与单片机U2的电源输入端连接，所述的电容C1的另一端、电容C1的另一端均接地。

所述的电压采样电路包括有电阻R5、二极管D5、电阻R3和电容C4，所述的电阻R5的一端与二极管D8的负极连接，电阻R5的另一端、二极管D5的负极均与单片机U2的AN3端口连接，二极管D5的正极接地，所述的电阻R3的一端、电容C4的一端均与单片机U2的AN3端口连接，电阻R3的另一端、电容C4的另一端均接地。

所述的高压直流继电器的节能控制器还包括有保护电路，所述的保护电路包括有电容C3和电容C5，所述的电容C3的一端、电容C5的一端均与场效应管V1的源极连接，电容C3的另一端、电容C5的另一端均接地。

本发明的优点：

(1)、节能控制：本发明通过电压采样电路采集输入电压传输给控制电路，控制电路根据输入电压调整占空比的PWM波，从而调整继电器线圈电压的有效值，大大降低高压继电器线圈一直处于工作状态下的功耗，减少发热，从而提高高压直流继电器的使用寿命；

(2)、定时功能：输出电压可随时间推进而变化，分为初始启动阶段和保持阶段。在高压继电器初始启动阶段的130ms内，输出电压占空比最低为50％，根据P＝U²/R，可降低继电器线圈的降低继电器线圈75％的功耗；在继电器启动成功后的保持阶段，输出电压占空比最低为7％，最大可降低继电器线圈99.5％的功耗；

(3)、高压保护：高压继电器的工作电压范围是8—36V，但是电压高于36V时继电器也正常工作，只是功耗继续增大，为了避免输入电压超出工作电压范围时继电器仍然工作，本电路根据电压采样电路采集的电压信号，在程序中设置高压保护点(36V)和高压保护解除点(35.8V)，即输入电压逐步升高，达到高压保护点36V时，节能控制器停止输出，高压继电器断开；输入电压高压保护点以上逐步降低，当降低到高压保护解除点35.8V时，节能控制器恢复输出，高压继电器吸合，保护功能自动解除，可有效保护继电器线圈及其负载；高压保护点的设计，可有效解决输入电压处在保护点附近时，高压继电器触点频繁跳动的问题。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

见图1，一种高压直流继电器的节能控制器，包括有输入电路A、辅助电源电路B、保护电路C、电压采样电路D和控制电路E，输入电路A通过电压采样电路D与控制电路E连接，输入电路A通过辅助电源电路B与控制电路E连接，保护电路C与辅助电源电路B连接，控制电路E的输出端连接高压直流继电器的线圈。

见图2，输入电路A包括有电容C7、二极管D8和电感L2，电容C7的一端与电源正极连接，电容C7的另一端接地，二极管D8的正极与电源正极连接，电感L2的一端与电源负极连接，电感L2的另一端接地；

控制电路E包括有单片机U2、场效应管芯片U3、稳压二极管D3、电感L1、二极管D1、二极管D2、二极管D6、电容C8、电容C6、电阻R1、电阻R2、电阻R0和电阻R4，单片机U2的信号输出端(引脚5)通过电阻R2与场效应管芯片U3的G2端(引脚4)连接，电阻R0的一端连接于电阻R2与场效应管芯片U3的G2端(引脚4)之间，电阻R0的另一端接地，场效应管芯片U3的S2端(引脚3)接地，场效应管芯片U3的D2端(引脚5和6)与S1端(引脚1)连接，场效应管芯片U3的D1端(引脚7和8)连接输出负极，电源正极通过电感L1与二极管D1的正极连接，电容C8的一端、二极管D6的正极均与二极管D1的负极连接，电容C8的另一端接地，二极管D6的负极通过电阻R1后连同稳压二极管D3的负极、电容C6的一端、电阻R4的一端均与场效应管芯片U3的G1端连接，稳压二极管D3的正极、电容C6的另一端、电阻R4的另一端、场效应管芯片U3的S1端(引脚1)均与二极管D2的正极连接，二极管D1的负极、二极管D的负极均与输出正极连接，输出正极和输出负极之间连接有高压直流继电器的线圈；

辅助电源电路B包括有场效应管V1、稳压芯片U1、电容C1、电容C2和电阻R7，场效应管V1的漏极与二极管D8的负极连接，场效应管V1的源极连接稳压芯片U1的输入端(引脚7和8)，场效应管V1的栅极连接稳压芯片U1的输出端(引脚1和2)，电容C1的一端、电阻R7的一端均与稳压芯片U1的输出端(引脚1和2)连接，稳压芯片U1的引脚3和4接地，电阻R7的另一端、电容C2的一端均与单片机U2的电源输入端(引脚1)连接，电容C1的另一端、电容C1的另一端均接地；保护电路C包括有电容C3和电容C5，电容C3的一端、电容C5的一端均与场效应管V1的源极连接，电容C3的另一端、电容C5的另一端均接地；

电压采样电路D包括有电阻R5、二极管D5、电阻R3和电容C4，电阻R5的一端与二极管D8的负极连接，电阻R5的另一端、二极管D5的负极均与单片机U2的AN3端口(引脚3)连接，二极管D5的正极接地，电阻R3的一端、电容C4的一端均与单片机U2的AN3端口(引脚3)连接，电阻R3的另一端、电容C4的另一端均接地。

本发明的工作原理：

输入电路A的电容C7和电感L2起滤波作用，二极管D8在输入电压方向接反时，隔断电路，保护电路系统不受损坏；输入电压经过场效应管V1传输至稳压芯片U1的输入端，稳压芯片U1可稳定输出5V电压，给控制电路E中的单片机U2供电，并且稳压芯片U1的输出端接场效应管V1的栅极，形成负反馈电路，当稳压芯片U1输出电压异常时，场效应管V1工作在截止区，切断供电电路，保护电路系统的安全；保护电路C的电容C3和电容C5分别用于吸收高频脉冲和低频脉冲，保护稳压芯片U1不会因为干扰电压的影响；电压采样电路D通过电阻R5和电阻R3分压，将输入电压信号的分压值传输至单片机U2的AN3端口(引脚3)；当单片机U2采样到的输入电压大于继电器的吸合电压(6.6V)时，单片机U2的信号输出端输出高电平信号，该信号输入至场效应管芯片U3的G2端，该场效应管芯片U3接通，场效应管芯片U3的D2端和S2端接通，此时输入电压经过二极管D6、电阻R1和稳压二极管D3等元器件接地，此时稳压二极管D3上将产生5V电压，连接至场效应管芯片U3的G1端，该场效应管芯片U3接通，此时输入电压经过继电器线圈(接在输出正极和输出负极之间)、场效应管芯片U3的D1端、S1端、D2端、S2端接地，则继电器线圈的电压差几乎为输入电压值，高压直流继电器进入工作状态，在此过程中，控制电路中的单片机U2根据采样到的输入电压值，调控单片机U2输出的占空比；当采样到的输入电压值上升时，单片机U2输出的占空比降低，输出电压的有效值基本保持不变，输出至继电器线圈的电流值基本不变。

高压直流继电器应用于电动车系统，电动车启动成功后，继电器一直处于吸合状态，在电动车加速过程中，施加至节能控制器输入端的电压会随之增大，根据功率计算公式P＝U²/R可知，当输入电压U上升时，则继电器线圈部分的功耗增大(温度不变时，继电器线圈电阻不变)。若输入电压全额加至继电器线圈，则继电器的功耗增大，发热量也增大；节能控制器根据采样到的输入电压值，通过单片机的PWM控制，调节输出电压的占空比，调节传输至继电器线圈的电压有效值，即可维持继电器线圈的功耗不变甚至降低，进而减少继电器线圈的发热量。

由于高压直流继电器在吸合时需要的电流较大，吸合成功后仅需的维持电流较小。节能控制器设置了定时功能(单片机输出分两个时间段，接电后100ms内输出一种波形，100ms之后输出另外一种波形，自身计时、定时)，在同一输入电压值的条件下(如输入电压为24V)，当继电器初始吸合时，单片机U2输出电压占空为50％，提供给继电器线圈的电压有效值为U×1/2,功耗为P×1/4,继电器的吸合时间低于30ms,因此节能控制器定义的初始启动时间为130ms，此阶段可降低继电器线圈功耗75％。高压继电器初始启动成功后，维持阶段，单片机输出电压的占空比为10％，提供给继电器线圈的电压有效值为U×1/10,功耗为P×1/100，高压继电器长期工作在维持阶段，此阶段可降低继电器线圈功耗的99％。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种高压直流继电器的节能控制器，其特征在于：包括有输入电路、辅助电源电路、电压采样电路和控制电路，所述的输入电路通过辅助电源电路与控制电路连接，所述的输入电路通过电压采样电路与控制电路连接，所述的控制电路的输出端连接高压直流继电器的线圈；所述的输入电路包括有电容C7、二极管D8和电感L2，所述的电容C7的一端与电源正极连接，电容C7的另一端接地，所述的二极管D8的正极与电源正极连接，二极管D8的负极分别与电压采样电路的输入端、辅助电源电路的输入端连接，所述的电感L2的一端与电源负极连接，电感L2的另一端接地；

所述的控制电路包括有单片机U2、场效应管芯片U3、稳压二极管D3、电感L1、二极管D1、二极管D2、二极管D6、电容C8、电容C6、电阻R1、电阻R2、电阻R0和电阻R4，所述的单片机U2的电源输入端与辅助电源电路的输出端连接，单片机U2的I/O端口与电压采样电路的输出端连接，单片机U2的信号输出端通过电阻R2与场效应管芯片U3的G2端连接，电阻R0的一端连接于电阻R2与场效应管芯片U3的G2端之间，电阻R0的另一端接地，所述的场效应管芯片U3的S2端接地，场效应管芯片U3的D2端与S1端连接，场效应管芯片U3的D1端连接输出负极，所述的电源正极通过电感L1与二极管D1的正极连接，电容C8的一端、二极管D6的正极均与二极管D1的负极连接，电容C8的另一端接地，二极管D6的负极通过电阻R1后连同稳压二极管D3的负极、电容C6的一端、电阻R4的一端均与场效应管芯片U3的G1端连接，稳压二极管D3的正极、电容C6的另一端、电阻R4的另一端、场效应管芯片U3的S1端均与二极管D2的正极连接，二极管D1的负极、二极管D2的负极均与输出正极连接，所述的输出正极和输出负极之间连接有所述的高压直流继电器的线圈；

所述的辅助电源电路包括有场效应管V1、稳压芯片U1、电容C1、电容C2和电阻R7，场效应管V1的漏极与二极管D8的负极连接，场效应管V1的源极连接稳压芯片U1的输入端，场效应管V1的栅极连接稳压芯片U1的输出端，所述的电容C1的一端、电阻R7的一端均与稳压芯片U1的输出端连接，所述的电阻R7的另一端、电容C2的一端均与单片机U2的电源输入端连接，所述的电容C1的另一端、电容C1的另一端均接地；

所述的电压采样电路包括有电阻R5、二极管D5、电阻R3和电容C4，所述的电阻R5的一端与二极管D8的负极连接，电阻R5的另一端、二极管D5的负极均与单片机U2的AN3端口连接，二极管D5的正极接地，所述的电阻R3的一端、电容C4的一端均与单片机U2的AN3端口连接，电阻R3的另一端、电容C4的另一端均接地。

2.根据权利要求1所述的一种高压直流继电器的节能控制器，其特征在于：所述的高压直流继电器的节能控制器还包括有保护电路，所述的保护电路包括有电容C3和电容C5，所述的电容C3的一端、电容C5的一端均与场效应管V1的源极连接，电容C3的另一端、电容C5的另一端均接地。