CN107845541B - 单线控制的磁保持继电器驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单线控制的磁保持继电器驱动电路，包括驱动脉冲产生单元、脉冲带宽设置单元、比较器单元、功率驱动单元四个部分。控制信号由高到低的下降沿或由低到高的上升沿经驱动脉冲产生单元形成一个负跳变或正跳变的驱动脉冲，驱动脉冲通过脉冲宽带设置单元与比较器单元后形成两个极性相反驱动信号，该驱动信号控制功率驱动单元使磁保持继电器进入复位或置位状态，驱动脉冲过后，磁保持继电器处于保持状态。本发明的有益效果是：使磁保持继电器跟普通继电器一样操控简单，既节省系统硬件和软件资源、省电又不会对周围电路产生电磁干扰；可用于继电器生产厂商集成到产品内部以提高可控性或添加到需要继电器的系统以改善系统性能。

Description

单线控制的磁保持继电器驱动电路

技术领域

本发明涉及继电器控制驱动电路，尤其涉及一种单线控制的磁保持继电器驱动电路。

背景技术

继电器是当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器；可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)继电器及非电气量(如温度、压力、速度等)继电器两大类；具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点；广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。

继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。普通继电器的驱动电路原理如附图11所示，当控制信号KZin=0（相当于连接至GND）时，三极管Q1截止，继电器线圈JD1中无电流流过，常开触点断开；当控制信号KZin=1（相当于连接至VCC）时，三极管Q1导通，继电器线圈JD1中有电流就流过，常开触点闭合。在控制常开触点闭合时，继电器线圈中需要持续通电，增加电源功耗，同时还会对其周围电路产生电磁干扰。

磁保持继电器是一种依靠自身永磁力保持触点断开或闭合状态的继电器，和其他电磁继电器一样，对电路起着自动接通和切断作用。所不同的是：普通电磁继电器通电吸合，无电释放；而磁保持继电器的常闭或常开状态完全是依赖永久磁钢的作用，其开关状态的转换是靠通过给线圈通正和负直流电压脉冲（脉冲宽度应大于30毫秒）使其切换，保持衔铁状态期间线圈中不需要通过电流。动作原理：磁保持继电器其触点开、合状态平时由永久磁铁所产生的磁力所保持；当继电器的触点需要开或合状态时，只需要用正（反）直流脉冲电压激励线圈，继电器在瞬间就完成了开与合的状态转换；通常触点处于保持状态时，线圈不需要继续通电，仅靠永久磁铁的磁力就能维持继电器的状态不变。磁保持继电器优点在于具有保持功能，在发生停电等情况时，供电恢复后可马上恢复工作，而不需等控制系统重新启动后再开始工作，且正常工作时，继电器线圈不需要持续通电，电源功耗低，不会对其周围电路产生电磁干扰。当然，磁保持继电器有两个控制端，控制较烦琐是它的缺陷。附图12所示为磁保持继电器的一般驱动电路原理图，当控制信号KZin0、KZin1=00（相当于连接至GND）时，三极管Q1、 Q2截止，继电器线圈JD1中无电流流过，继电器处于磁保持状态；当控制信号KZin0、KZin1=10时，三极管Q1导通、 Q2截止，继电器线圈JD1中通过正向电流，继电器进入置位状态；当控制信号KZin0、KZin1=01时，三极管Q1截止、Q2导通，继电器线圈JD1中通过反向电流，继电器进入复位状态；当控制信号KZin0、KZin1=11（相当于连接至VCC）时，三极管Q1、 Q2导通，电源VCC通过电阻R2、R4与地GND形成回路，将导致电源、三极管Q1和 Q2功耗过大或损坏。由此可见，为了实现磁保持继电器的可靠控制，不但要消耗系统较多的硬件资源，而且还需一定的软件资源配合才能完成。

基于磁保持继电器的应用优点，能否发明一种控制驱动电路，使磁保持继电器跟普通继电器一样操控简单，以节省系统硬件和软件资源；目前国内外尚无相关的研究成果和产品报道。

发明内容

为了克服磁保持继电器控制烦琐，需消耗系统硬件和软件资源的不足，本发明公开了一种单线控制的磁保持继电器驱动电路。

本发明采用的技术方案是：一种单线控制的磁保持继电器驱动电路，由驱动脉冲产生单元、脉冲带宽设置单元、比较器单元、功率驱动单元四个部分组成；其特征是：控制信号由高到低的下降沿或由低到高的上升沿经驱动脉冲产生单元形成一个负跳变或正跳变的驱动脉冲，驱动脉冲通过脉冲宽带设置单元与比较器单元后形成两个极性相反驱动信号，该驱动信号控制功率驱动单元使磁保持继电器进入复位或置位状态，驱动脉冲过后，不管控制信号是高电平还是低电平，磁保持继电器都处于保持状态，继电器线圈中无电流流过，既节省系统资源、省电又不会对周围电路产生电磁干扰。

在本发明中，所述的驱动脉冲产生单元由电容C1、电阻R1和R2组成，取电阻R1=R2，则在控制信号不变时电阻R1与R2连接点a处的电压Va=VCC/2，控制信号下降沿变化时电压Va为一个负跳变驱动脉冲、上升沿变化时电压Va为一个正跳变驱动脉冲，驱动脉冲跳变过程时间T=2π*R1*C1，根据磁保持继电器的驱动时间参数来选择电容C1的大小。

在本发明中，所述的脉冲带宽设置单元为电阻R3、R4和R5形成的分压网络，取电阻R3=R5，所述的比较器单元由两个相同的电压比较器或运算放大器IC1A、IC1B和电阻R6、R7组成；分压网络b点电压Vb=VCC*(R5+R4)/(2*R5+R4) ，分压网络c点电压Vc=VCC* R5/(2*R5+R4)，且Vc<Va<Vb，通过调节驱动脉冲跳变过程时间T和改变电阻R4的大小以改变电压Vb、Vc来设置驱动脉冲带宽，驱动脉冲的带宽随电阻R4阻值的增大而减小；当控制信号不变时，两个比较器都固定输出为高电平或低电平；当控制信号下降沿变化时，比较器IC1A的输出Vd仍保持其高电平或低电平状态，比较器IC1B的输出Ve则是一个设定带宽的低电平或高电平驱动脉冲；当控制信号上升沿变化时，比较器IC1B的输出Ve仍保持其高电平或低电平状态，比较器IC1A的输出Vd则是一个设定带宽的低电平或高电平驱动脉冲。

在本发明中，所述的功率驱动单元由电阻R8、R9、 R10、 R11和三极管Q1、Q2、Q3、Q4组成，有高电平有效控制、低电平有效控制两种形式，在磁保持继电器驱动电流较小且比较器单元输出能满足要求时不需要；高电平有效控制的三极管Q1、Q3为PNP管，低电平有效控制的三极管Q1、Q3为NPN管，根据磁保持继电器的驱动电压、电流参数来选择三极管的型号及参数；当控制信号不变时，三极管Q1、Q3关断，磁保持继电器线圈中无电流流过而处于保持状态；当控制信号上升沿变化时，三极管Q1、Q2导通，三极管Q3、Q4关断，磁保持继电器线圈中流过正向电流而进入置位状态；当控制信号下降沿变化时，三极管Q1、Q2关断，三极管Q3、Q4导通，磁保持继电器线圈中流过反向电流而进入复位状态；置位、复位的时间由驱动脉冲带宽决定。

本发明的有益效果是，利用控制信号上升沿、下降沿的变化来实现磁保持继电器的置位、复位控制，而控制信号不变时磁保持继电器处于保持状态；使磁保持继电器跟普通继电器一样操控简单，既节省系统硬件和软件资源、省电又不会对周围电路产生电磁干扰。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明实施例一A的电路原理图；

图3是本发明实施例一B的电路原理图；

图4是本发明实施例二A的电路原理图；

图5是本发明实施例二B的电路原理图；

图6是本发明实施例的Va波形图；

图7是本发明实施例一的Vd波形图；

图8是本发明实施例一的Ve波形图；

图9是本发明实施例二的Vd波形图；

图10是本发明实施例二的Ve波形图；

图11是普通继电器驱动电路原理图；

图12是磁保持继电器的一般驱动电路原理图。

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。

附图1是本发明的结构框图。针对普通继电器在控制常开触点闭合时，线圈中需要持续通电，增加电源功耗且还会对其周围电路产生电磁干扰的缺点。基于磁保持继电器的应用优点和控制较烦琐的缺陷，发明公开了一种单线控制的磁保持继电器驱动电路，包括驱动脉冲产生单元、脉冲带宽设置单元、比较器单元、功率驱动单元四个部分。其特征是：控制信号由高到低的下降沿或由低到高的上升沿经驱动脉冲产生单元形成一个负跳变或正跳变的驱动脉冲，驱动脉冲通过脉冲宽带设置单元与比较器单元后形成两个极性相反驱动信号，该驱动信号控制功率驱动单元使磁保持继电器进入复位或置位状态，驱动脉冲过后，不管控制信号是高电平还是低电平，磁保持继电器都处于保持状态，继电器线圈中无电流流过，既节省系统资源、省电又不会对周围电路产生电磁干扰。

参见附图，图2是本发明实施例一A的电路原理图，图3是本发明实施例一B的电路原理图，图4是本发明实施例二A的电路原理图，图5是本发明实施例二B的电路原理图。附图3、附图5技术方案与附图2、附图4技术方案的区别在于减少了功率驱动单元，该技术方案主要用于磁保持继电器驱动电流较小且比较器单元输出能满足要求的应用中，以简化电路结构。附图2技术方案与附图4技术方案的区别在于比较器单元输出的驱动脉冲有效电平不同，附图2技术方案适用于低电平有效的功率驱动单元，附图4技术方案适用于低高电平有效的功率驱动单元。在附图3~5中，驱动脉冲产生单元由电容C1、电阻R1和R2组成，取电阻R1=R2，则在控制信号不变时电阻R1与R2连接点a处的电压Va=VCC/2，控制信号下降沿变化时电压Va为一个负跳变驱动脉冲、上升沿变化时电压Va为一个正跳变驱动脉冲，驱动脉冲跳变过程时间T=2π*R1*C1，根据磁保持继电器的驱动时间参数来选择电容C1的大小。附图6是本发明实施例的Va波形图，本发明的驱动脉冲产生的机理是RC电路的充放电过程中，控制信号下降沿（即从VCC到GND）变化时，电源的VCC通过R1对电容C1充电，控制信号上升沿（即从GND到VCC）变化时，控制信号的VCC通过R2对电容C1充电，电容C1上电压是慢慢建立起来的，充电电流则由最大值慢慢降为零；C1、R1值越大，对电容的充电过程就越慢，电容器上电压的建立就越慢，电容C1的最终充电电压为VCC/2。

附图3~5中的脉冲带宽设置单元为电阻R3、R4和R5形成的分压网络，取电阻R3=R5，附图3~5中的比较器单元由两个相同的电压比较器或运算放大器IC1A、IC1B和电阻R6、R7组成。电压比较器是用来鉴别和比较两个模拟输入电压相对大小的器件，这两个模拟输入电压，可以一个是模拟输入信号，另一个是参考电压，也可以两个都是模拟输入电压；比较器的输出反映两个输入量之间相对大小的关系，比较器的输入量是模拟量，输出量是数字量，所以它兼有模拟电路和数字电路的某些属性，是模拟电路和数字电路之间联系的桥梁，是重要的接口电路。运放也能用作比较器，只要它的输出电平被钳位在要求的逻辑电平即可；普通运放电路在设计时，重点考虑的是输出与输入之间的线性放大特性以及稳定性（包括频率补偿）等重要指标，而运放的响应时间一般较长；为解决响应时间和电平匹配问题，电压比较器被设计成专用的电路，并出现了各种集成电压比较器。选用比较器时可选TLC2372/ TLC2374、LM393/LM339等CMOS比较器，此时电阻R6、R7用作输出上拉电阻。选用运算放大器时可选AD8571/AD8572/AD8574、TLC272/ TLC274等轨对轨输出的运算放大器，此时电阻R6、R7不需要。附图3~5中分压网络b点电压Vb=VCC*(R5+R4)/(2*R5+R4) ，分压网络c点电压Vc=VCC* R5/(2*R5+R4)，且Vc<Va<Vb，通过调节驱动脉冲跳变过程时间T和改变电阻R4的大小以改变电压Vb、Vc来设置驱动脉冲带宽，驱动脉冲的带宽随电阻R4阻值的增大而减小。参见附图，图7是本发明实施例一的Vd波形图，图8是本发明实施例一的Ve波形图，图9是本发明实施例二的Vd波形图，图10是本发明实施例二的Ve波形图；当控制信号不变时，两个比较器都固定输出为高电平或低电平；当控制信号下降沿变化时，比较器IC1A的输出Vd仍保持其高电平或低电平状态，比较器IC1B的输出Ve则是一个设定带宽的低电平或高电平驱动脉冲；当控制信号上升沿变化时，比较器IC1B的输出Ve仍保持其高电平或低电平状态，比较器IC1A的输出Vd则是一个设定带宽的低电平或高电平驱动脉冲。

附图3~5中的功率驱动单元由电阻R8、R9、 R10、 R11和三极管Q1、Q2、Q3、Q4组成，有高电平有效控制、低电平有效控制两种形式，在磁保持继电器驱动电流较小且比较器单元输出能满足要求时不需要；高电平有效控制的三极管Q1、Q3为PNP管，低电平有效控制的三极管Q1、Q3为NPN管，根据磁保持继电器的驱动电压、电流参数来选择三极管的型号及参数；当控制信号不变时，三极管Q1、Q3关断，磁保持继电器线圈中无电流流过而处于保持状态；当控制信号上升沿变化时，三极管Q1、Q2导通，三极管Q3、Q4关断，磁保持继电器线圈中流过正向电流而进入置位状态；当控制信号下降沿变化时，三极管Q1、Q2关断，三极管Q3、Q4导通，磁保持继电器线圈中流过反向电流而进入复位状态；置位、复位的时间由驱动脉冲带宽决定。

以AGN2104H磁保持继电器的控制为例，其工作电压范围：4.5~6.75V，置位与复位起始电压为3.38V、持续时间2~4ms，线圈阻抗202.5Ω(±10%)，正常工作电流22.2mA(±10%)。若采用AD8572双轨对轨输出运算放大器来实现比较器单元，由于AD8572的工作电压：4.5~6.75V，最大输出电流可达40mA；可选择附图3、附图5所示的技术方案来控制AGN2104H磁保持继电器。设电源电压VCC=5.0V，取电阻R1=R2=10KΩ、电阻R3=R5=10KΩ、电阻R4=1KΩ、电容C1=0.1uF，则在控制信号不变时电阻R1与R2连接点a处的电压Va=2.5V，驱动脉冲跳变过程时间T=2π*R1*C1=6.28 ms，分压网络b点电压Vb=VCC*(R5+R4)/(2*R5+R4)=2.619V，分压网络c点电压Vc=VCC* R5/(2*R5+R4)=2.381V，附图3所示技术方案的IC1A、IC1B两个比较器的输出Vd、Ve都为高电平，附图5所示技术方案的IC1A、IC1B两个比较器的输出Vd、Ve都为低电平，继电器线圈JD1中无电流流过，磁保持继电器线圈处于保持状态。控制信号下降沿（即从VCC到GND）变化时，电源的VCC通过R1对电容C1充电，电阻R1与R2连接点a处的电压Va从GND开始，经过T=2π*R1*C1=6.28 ms后才能变化到2.5V，在整个充电过程中，对比较器IC1A来说始终保持Va<Vb，故附图3所示技术方案的IC1A输出Vd持续为高电平、附图5所示技术方案的IC1A输出Vd持续为低电平；对比较器IC1B来说充电一开始就有Va<Vc，故附图3所示技术方案的IC1B输出Ve为低电平、附图5所示技术方案的IC1B输出Ve为高电平，连接点a处的电压Va随充电进程逐渐增加，当增加到2.381V后就会有Vc<Va，比较器IC1B翻转，则附图3所示技术方案的IC1B输出Ve恢复为高电平、附图5所示技术方案的IC1B输出Ve恢复为低电平；Ve处于低电平(附图3所示技术方案)或高电平(附图5所示技术方案)期间，磁保持继电器线圈中流过反向电流而进入复位状态。控制信号上升沿（即从GND到VCC）变化时，控制信号的VCC通过R2对电容C1充电，电阻R1与R2连接点a处的电压Va从VCC开始，经过T=2π*R1*C1=6.28 ms后才能变化到2.5V，在整个充电过程中，对比较器IC1B来说始终保持Vc<Va，故附图3所示技术方案的IC1B输出Ve持续为高电平、附图5所示技术方案的IC1B输出Ve持续为低电平；对比较器IC1A来说充电一开始就有Vb<Va，故附图3所示技术方案的IC1A输出Vd为低电平、附图5所示技术方案的IC1A输出Vd为高电平，连接点a处的电压Va随充电进程逐渐减小，当减小到2.619V后就会有Va<Vb，比较器IC1A翻转，则附图3所示技术方案的IC1A输出Vd恢复为高电平、附图5所示技术方案的IC1A输出Vd恢复为低电平；Vd处于低电平(附图3所示技术方案)或高电平(附图5所示技术方案)期间，磁保持继电器线圈中流过正向电流而进入置位状态。本实施例中，通过调整电阻R4、电容C1的值，使驱动脉冲带宽为3ms左右，以保证AGN2104H磁保持继电器的可靠置位、复位。

本发明的有益效果是，利用控制信号上升沿、下降沿的变化来实现磁保持继电器的置位、复位控制，而控制信号不变时磁保持继电器处于保持状态；使磁保持继电器跟普通继电器一样操控简单，既节省系统硬件和软件资源、省电又不会对周围电路产生电磁干扰；可用于继电器生产厂商集成到产品内部以提高可控性或添加到需要继电器的系统以改善系统性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种单线控制的磁保持继电器驱动电路，由驱动脉冲产生单元、脉冲带宽设置单元、比较器单元、功率驱动单元四个部分组成，控制信号由高到低的下降沿或由低到高的上升沿经驱动脉冲产生单元形成一个负跳变或正跳变的驱动脉冲，驱动脉冲通过脉冲宽带设置单元与比较器单元后形成两个极性相反驱动信号，该驱动信号控制功率驱动单元使磁保持继电器进入复位或置位状态，驱动脉冲过后，不管控制信号是高电平还是低电平，磁保持继电器都处于保持状态，继电器线圈中无电流流过；其特征是：

所述驱动脉冲产生单元由电容C1、电阻R1和R2组成，取电阻R1=R2，则在控制信号不变时电阻R1与R2连接点a处的电压Va=VCC/2，控制信号下降沿变化时电压Va为一个负跳变驱动脉冲、上升沿变化时电压Va为一个正跳变驱动脉冲，驱动脉冲跳变过程时间T=2π*R1*C1，根据磁保持继电器的驱动时间参数来选择电容C1的大小；

所述脉冲带宽设置单元为电阻R3、R4和R5形成的分压网络，取电阻R3=R5，所述比较器单元由两个相同的电压比较器或运算放大器IC1A、IC1B和电阻R6、R7组成，分压网络b点电压Vb=VCC*(R5+R4)/(2*R5+R4) ，分压网络c点电压Vc=VCC* R5/(2*R5+R4)，且Vc<Va<Vb，通过调节驱动脉冲跳变过程时间T和改变电阻R4的大小以改变电压Vb、Vc来设置驱动脉冲带宽，驱动脉冲的带宽随电阻R4阻值的增大而减小；当控制信号不变时，两个比较器都固定输出为高电平或低电平；当控制信号下降沿变化时，比较器IC1A的输出Vd仍保持其高电平或低电平状态，比较器IC1B的输出Ve则是一个设定带宽的低电平或高电平驱动脉冲；当控制信号上升沿变化时，比较器IC1B的输出Ve仍保持其高电平或低电平状态，比较器IC1A的输出Vd则是一个设定带宽的低电平或高电平驱动脉冲；

所述功率驱动单元由电阻R8、R9、 R10、 R11和三极管Q1、Q2、Q3、Q4组成，三极管Q2、Q4为NPN管，高电平有效控制时三极管Q1、Q3为PNP管，低电平有效控制时三极管Q1、Q3为NPN管，根据磁保持继电器的驱动电压、电流参数来选择三极管的型号及参数，在磁保持继电器驱动电流较小且比较器单元输出能满足要求时不需要所述功率驱动单元和比较器单元的电阻R6、R7；当控制信号不变时，三极管Q1、Q3关断，磁保持继电器线圈中无电流流过而处于保持状态；当控制信号上升沿变化时，三极管Q1、Q2导通，三极管Q3、Q4关断，磁保持继电器线圈中流过正向电流而进入置位状态；当控制信号下降沿变化时，三极管Q1、Q2关断，三极管Q3、Q4导通，磁保持继电器线圈中流过反向电流而进入复位状态；置位、复位的时间由驱动脉冲带宽决定。