CN108843142A - 一种实现电磁铁锁双稳态的电路控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现电磁铁锁双稳态的电路控制装置，包括电磁铁锁，其具有锁舌和线圈，线圈断电时，锁舌自动伸出并保持伸出状态，对应电磁铁锁关闭的物理状态；线圈通电并且消耗较小功率时，锁舌保持缩进状态，对应电磁铁锁打开的物理状态；线圈通电并且消耗较大功率时，锁舌自动缩进直至达到缩进状态，对应电磁铁锁打开的动作；功率调整电路，用于在较小功率和较大功率的范围内调整，其与电磁铁锁线圈电连接，使线圈断电或在不同的功率下通电；逻辑控制电路，其与功率调整电路电连接，用于对功率调整电路进行控制。本发明能够实现对电磁铁锁的双稳态控制，并能使电磁铁锁的体积较小，成本较低，同时可以降低开锁状态下的电能消耗。

Description

一种实现电磁铁锁双稳态的电路控制装置

技术领域

本发明涉及电路控制技术领域，具体涉及一种实现电磁铁锁双稳态的电路控制装置。

背景技术

目前，公知的普通电磁铁锁包括框架、线圈、定铁芯和衔铁，线圈和定铁芯固定在框架上，衔铁装有弹簧，衔铁头端固定锁舌。当线圈通电，衔铁产生的电磁吸力克服弹簧弹力、锁舌惯性、摩擦力等阻力，使衔铁的锁舌向定铁芯方向移动，锁舌表现为缩进；当线圈断电，衔铁失去电磁吸力的作用，受到弹簧弹力的作用而复位,锁舌表现为伸出。

例如在一种储物柜中，有应用到该普通电磁铁锁。该普通电磁铁锁在额定功率下通电的时间不能过长，通常为几秒到数十秒，否则会因为线圈过热而损坏。此例中，平时柜门关闭，且线圈不通电，锁舌伸出，处于关门并上锁的状态；需要开门时，线圈以额定功率通电一段时间使锁舌缩进，并使用机械装置将柜门弹开，执行开门操作；开门操作完成后，线圈恢复断电状态，锁舌在弹簧作用下恢复伸出状态，这时候关门就会自动上锁。这种方式在使用上有很大局限，例如不适用于柜门较重，开锁后立即快速开门比较困难的情况，又例如不适用于操作中需要关门，而又不允许自动上锁的情况。

对上例的一种改进措施是提高电磁铁锁的性能，使其允许在额定功率下工作更长时间，甚至达到100％的通电率。此例中，平时柜门关闭，且线圈不通电，锁舌伸出，处于关门并上锁的状态；需要开锁时，线圈以额定功率通电，使锁舌缩进，柜门处于可以自由开关的状态；开锁操作完成后，线圈继续以额定功率通电，锁舌保持缩进状态，柜门仍然处于可以自由开关的状态。这种方式对电磁铁锁要求比较高，通常需要更大的体积和更高的成本，并且消耗的电能较大。

值得说明的是，公开于该背景技术的信息或部分信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

发明人进一步研究发现，上述结构的电磁铁锁的吸力不但和线圈上消耗的功率成正相关关系，同时和定铁芯与衔铁之间的气隙长度成正相关关系，锁舌由伸出状态要转变为缩进状态时，定铁芯与衔铁之间的气隙长度最短，同时需要克服锁舌的惯性，所以需要消耗较大的功率(例如额定功率)；电磁铁锁舌缩进后，如果只是维持缩进的状态，由于定铁芯与衔铁之间的气隙长度最长，同时无需克服锁舌的惯性，与锁舌刚开始缩进时相比较，电磁铁所需要消耗的功率要显著地降低，例如只需要额定功率的25％。即使是体积较小、成本较低的普通电磁铁锁，也能够承受以较小的功率(例如额定功率的20％-50％)持续通电。

因此，要想对普通电磁铁锁进行双稳态控制并降低开锁状态下的电能消耗，可以根据此发现做相应的设计。

因此，本发明的目的在于提出一种实现电磁铁锁双稳态的电路控制装置,能使电磁铁锁的体积较小，成本较低，同时能降低开锁状态下的电能消耗。

所采用的技术方案为：

一种实现电磁铁锁双稳态的电路控制装置，包括

电磁铁锁，其具有锁舌和线圈，所述线圈断电时，所述锁舌自动伸出并保持伸出状态，对应电磁铁锁关闭的物理状态；所述线圈通电并且消耗较小功率时，所述锁舌保持缩进状态，对应电磁铁锁打开的物理状态；所述线圈通电并且消耗较大功率时，所述锁舌自动缩进直至达到缩进状态，对应电磁铁锁打开的动作；

功率调整电路，用于在较小功率和较大功率的范围内调整，其与所述电磁铁锁的线圈电连接，使所述线圈断电或在不同的功率下通电；

逻辑控制电路，其与功率调整电路电连接，用于对功率调整电路进行控制。

进一步地，所述逻辑控制电路为基于纯硬件的逻辑电路、具有微控制器的逻辑电路、具有CPLD的逻辑电路或具有FPGA的逻辑电路。

上述中的“在不同的功率下通电”，例如在较小的功率下通电或在较大的功率下通电。较大的功率例如可以为额定功率。较小的功率例如可以为一定比例的额定功率。因此可以进一步地，所述较大功率为电磁铁锁的额定功率，所述较小功率为电磁铁锁额定功率的20％-50％。

为实现“所述线圈通电并且消耗较大功率时，所述锁舌自动缩进直至达到缩进状态”，需要逻辑控制电路控制功率调整电路的较大功率输出的时间大于锁舌实际运动的时间。例如锁舌实际运动的时间是2秒，逻辑控制电路控制功率调整电路的较大功率输出的时间是3、4或5秒。

本发明的有益效果在于：

通过功率调整电路和逻辑控制电路，实现电磁铁锁的双稳态及对双稳态的电路控制：

也就是，线圈断电时，锁舌自动伸出并保持伸出状态，对应电磁铁锁关闭的物理状态，此为电磁铁锁的一种稳定状态(简称稳态)；线圈通电并且消耗较小功率时，锁舌保持缩进状态，对应电磁铁锁打开的物理状态，此为电磁铁锁的另一种稳定状态(简称稳态)；线圈通电并且消耗较大功率时，锁舌自动缩进至达到缩进状态，对应电磁铁锁打开的动作，是电磁铁锁从关闭转变为打开，此为从一种稳定状态转变为另一种稳定状态的过程。

也就是，通过功率调整电路和逻辑控制电路，对电磁铁锁上消耗的功率进行调节，使其在上锁状态(电磁铁锁关闭的物理状态)下，电磁铁锁线圈上不消耗功率；开锁过程(电磁铁锁从关闭转变为打开)中，电磁铁锁线圈上消耗较大的功率；维持开锁状态(电磁铁锁打开的物理状态)下，电磁铁锁线圈上消耗较小的功率,由于执行开锁动作的时间很短，通常可以在几秒内完成，电磁铁锁绝大多数时间不需要工作在较大的功率下，使用普通电磁铁锁就能实现双稳态控制，不但可以减小电磁铁锁的体积、节约成本，同时可以降低开锁状态下的电能消耗，起到节能环保的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1、2的电路方框图。

图2为实施例1、2的电磁铁锁上锁状态下的结构示意图。

图3为实施例1、2的电磁铁锁开锁状态下的结构示意图。

图4为实施例1的电路示意图。

图5为实施例2的电路示意图。

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优选的实施例，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作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。

实施例1

参见图1所示，一种实现电磁铁锁双稳态的电路控制装置，包括电磁铁锁10、逻辑控制电路20和功率调整电路30，逻辑控制电路20与功率调整电路30电连接，功率调整电路30与电磁铁锁10电连接。

参见图2所示，电磁铁锁10主要包括框架101、线圈102、定铁芯103、衔铁104、锁舌105和弹簧106，定铁芯103固定在框架101上，锁舌105固定在衔铁104上。不考虑重力的影响，线圈102不通电时，由于弹簧106的作用，锁舌105处于伸出位置，对应上锁的物理状态；需要开锁时，电磁铁以较大的功率(例如额定功率)通电，衔铁104受到吸力，当吸力足以克服弹簧、摩擦、惯性等产生的阻力时，衔铁开始朝更靠近定铁芯103和框架101的方向移动，从而带动锁舌105开始缩进,对应从开锁到上锁的物理状态转换过程(即执行开锁动作)，值得注意的是，随着衔铁104和锁舌105的移动，衔铁104和定铁芯103之间的气隙长度越来越大，在线圈102上消耗相同功率的前提下，衔铁104受到吸力越来越大；如图3所示，当衔铁104和锁舌105缩进至由机械结构设定的既定位置后，对应开锁的物理状态，这种状态下衔铁104和定铁芯103之间的气隙长度最大，与图2所示锁舌105处于伸出位置相比，在线圈102上消耗相同功率的前提下，衔铁104受到吸力更大，同时由于衔铁104和锁舌105不需要继续移动，不需要再克服摩擦、惯性等产生的阻力，只需要在线圈102上消耗较小的功率(例如额定功率的20％)，就可以提供足够的磁力克服弹簧的弹力，使衔铁104和锁舌105保持不动，维持开锁的物理状态。本实施例中，线圈102的电阻为12欧姆，电磁铁锁10的额定电压为DC12V，额定电流为1A，额定功率为12W。

参考图4所示，功率调整电路30分别与逻辑电路20和电磁铁锁10电连接，用于根据逻辑电路20的输出来调整电磁铁锁10消耗功率的大小，功率调整电路30主要由一个输出电压可以调节的电压源及必要的外围电路组成，本实施例中，输入电源V_IN为DC24V；IC1为DC-DC开关电源芯片，其型号为NS公司的LV13603AMRX-ADJ；S1,S2,S3为半导体材料制作的模拟开关，其型号为圣邦微公司的SGM3157；R1,R2,R3为电阻器，R1阻值为6800欧姆，R2阻值为820欧姆，R3阻值为1850欧姆。功率调整电路30可以工作在如下表1所示的几种状态(输入电源电压V_IN保持DC24V)：

表1

仍然参考图4所示，逻辑电路20主要由微控制器及必要的外围电路组成，不需要经过创造性劳动，本专业领域内的技术人员很容易通过软、硬件技术，实现下表2所示的几种状态：

表2

对本实施例的电路进行综合分析，很容易实现下表3所示的几种状态(输入电源电压V_IN保持DC24V)：

表3

由于执行开锁动作的时间很短，通常可以在2秒内完成，而逻辑控制电路控制功率调整电路的较大功率输出的时间大于锁舌实际运动的时间，本实施例中，GPIO1低电平、GPIO2高电平与GPIO3低电平的输出状态时间大于2秒，可为3秒或4秒。之后，电磁铁锁绝大多数时间不需要工作在额定功率下，使用普通电磁铁锁就能实现双稳态控制，不但可以减小电磁铁锁的体积、节约成本，同时可以起到节能环保的作用。

实施例2

参照实施例1，与实施例1相比较，本实施例的逻辑控制电路和功率调整电路实现方式不同。

参考图5所示，本实施例的功率调整电路30主要由继电器K1，继电器K2和功率电阻器R10组成，R10的电阻值为36欧姆。

还是参考图5所示，本实施例的逻辑控制电路20主要由CPLD复杂可编程逻辑器件201和驱动电路202以及必要的外围电路组成。CPLD复杂可编程逻辑器件201按照要求输出相应的逻辑，驱动电路202进行电平转换以达到能控制继电器K1，K2通、断的要求。

不需要经过创造性劳动，本专业领域内的技术人员很容易通过软、硬件技术实现下表4所示的几种状态(电源电压VDD保持DC12V)：

表4

实施例2达到的效果和实施例1基本相同，实施例2的技术原理比较简单，但实现成本略高，同时保持开锁状态下功率电阻R10上额外消耗了一定的功率。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种实现电磁铁锁双稳态的电路控制装置，其特征在于，包括

电磁铁锁，其具有锁舌和线圈，所述线圈断电时，所述锁舌自动伸出并保持伸出状态，对应电磁铁锁关闭的物理状态；所述线圈通电并且消耗较小功率时，所述锁舌保持缩进状态，对应电磁铁锁打开的物理状态；所述线圈通电并且消耗较大功率时，所述锁舌自动缩进直至达到缩进状态，对应电磁铁锁打开的动作；

功率调整电路，用于在较小功率和较大功率的范围内调整，其与所述电磁铁锁的线圈电连接，使所述线圈断电或在不同的功率下通电；

逻辑控制电路，其与功率调整电路电连接，用于对功率调整电路进行控制。

2.根据权利要求1所述的实现电磁铁锁双稳态的电路控制装置，其特征在于，所述逻辑控制电路为基于纯硬件的逻辑电路、具有微控制器的逻辑电路、具有CPLD的逻辑电路或具有FPGA的逻辑电路。

3.根据权利要求1所述的实现电磁铁锁双稳态的电路控制装置，其特征在于，所述较大功率为电磁铁锁的额定功率，所述较小功率为电磁铁锁额定功率的20％-50％。