CN110379677B - 一种辅助供电电路及应用该电路的接触器节电器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辅助供电电路及应用该电路的接触器，包括接触器线圈、变压器、变压器原边的续流二极管，以及变压器副边的开关电路和整流滤波电路；本发明通过收集流过接触器线圈匝间电容的电流，用变压器进行能量转换后作为辅助电源的输出，解决了线性电源损耗大的问题；并且本发明的辅助供电电路也远比开关电源要简单，无需额外的控制电路。
Description
技术领域
本发明涉及接触器领域，尤其涉及接触器节电器中的辅助供电电路。
背景技术
传统接触器的电磁控制系统由线圈和铁芯组成，线圈的匝数多达几百甚至上千圈，接触器线圈实际上就是一个感量很大的电感。由于匝数很多，线圈的匝间电容也是较大的。接触器线圈的电学模型如附图1所示，可以看作为一个大电感和一个小电容并联。
如图2的电路就是一种公知的节电电路，L1为接触器的线圈。通过调节开关管TR1的占空比，就可调节接触器线圈L1的电流。一般带控制芯片的节电电路由一个线性电源供电，其损耗比较大。如授权公告号为CN2563742Y的专利、申请公布号为CN101752143A的专利、公开号为CN1925085A的专利，控制电路都是由线性电源供电，假设芯片供电需要2mA的电流，对于交流220V输入的产品，整流滤波后母线电压约为310V，那么控制电路的损耗大约为2mA*310V＝0.61W左右，输入电压越高，损耗越大。
随着半导体技术的发展与推广，接触器节电电路控制电路也必然会集成化。一般芯片内部逻辑电路耐压较低，像一般220V的市电不能给芯片直接供电。电源管理类的控制芯片，交流输入应用的控制芯片一般内部都会有一个高压启动电路，这个高压启动电路其实也是一个线性电源。一般这类控制芯片可以用SOP-8的封装，由于芯片体积小散热慢，假如高压启动电路持续工作的话，会使得芯片发热比较严重，引起可靠性的问题。所以开关电源的控制芯片一般由变压器辅助绕组供电，高压启动电路仅在启动过程的一小段时间内工作，不会引起发热严重的问题。
但是在接触器节电器领域，因为整个系统没有变压器，不能无损地把高压转化为低压。所以芯片要么用线性电源供电，但这会导致发热的问题；要么使用开关电源供电，但开关电源电路复杂，有可能比接触器节电电路的器件还要多，会大幅度增加成本和体积。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种辅助供电电路及应用该电路的接触器，仅采用很少的器件，可以实现给接触器控制电路供电，不用额外的控制电路，同时可以完全省去上述线性电源所带来的损耗。
为解决上述技术问题，本发明的辅助供电电路技术方案如下：
一种辅助供电电路，包括接触器线圈、变压器、二极管、开关电路和整流滤波电路；变压器包括一个原边绕组和一个副边绕组；接触器线圈的输入端即为辅助供电电路的输入端，接触器线圈的输出端连接变压器原边绕组的一端；二极管的阳极连接接触器线圈的输出端或变压器原边绕组的另一端，二极管的阴极连接接触器线圈的输入端；开关电路的输入端连接变压器原边绕组的另一端，开关电路的输出端接地，开关电路的控制端用于输入控制信号；变压器的副边绕组的两端分别与整流滤波电路的第一输入端和第二输入端相连，整流滤波电路的第二输入端还与地相连，整流滤波电路的输出端为辅助供电电路的输出端；
开关电路依据其控制端输入的控制信号实现导通或关闭，在控制接触器线圈电流大小的同时，也控制变压器把能量从原边绕组传输到副边绕组；
变压器用于将原边绕组的能量传输到副边绕组；
整流滤波电路用于把副边绕组的电压进行整流滤波，得到平滑的直流电压，输出到辅助供电电路的输出端。
作为上述技术方案的改进，还包括防过压电路，防过压电路的输入端连接整流滤波电路的输出端，防过压电路的输出端为辅助供电电路的输出端，防过压电路用于防止辅助供电电路输出的电压过高。
优选地，所述的开关电路包括一N-MOS管，N-MOS管的栅极即为其控制端，N-MOS管的漏极即为其输入端，N-MOS管的的源极即为其输出端。
优选地，所述的整流滤波电路包括一二极管和一电容，二极管的阳极即为其第一输入端，电容的一端即为其第二输入端，二极管的阴极与电容的另一端相连作为整流滤波电路的输出端。
优选地，所述的防过压电路为一稳压二极管，稳压二极管的阴极为防过压电路的输出端，稳压二极管的阳极连接整流滤波电路的第二输入端。
优选地，所述的防过压电路为一三端稳压器，三端稳压器的输入端为防过压电路的输入端，三端稳压器的输出端为防过压电路的输出端。
本发明还提供一种应用上述辅助供电电路的接触器节电器，辅助供电电路的输入端连接接触器的输入端，辅助供电电路的输出端连接接触器的控制电路。
与现有技术相比，本发明的辅组供电电路具有以下有益效果：
本发明的发明构思在于通过收集流过接触器线圈匝间电容的电流，用变压器进行能量转换后作为辅助电源的输出，解决了线性电源损耗大的问题；并且本发明的辅助供电电路也远比开关电源要简单，无需额外的控制电路。
附图说明
附图1接触器线圈电学模型；
附图2一种公知的节电电路；
附图3本发明的电路框图；
附图4本发明第一实施例电路原理图；
附图5本发明第一实施例电路波形图；
附图6本发明第二实施例电路原理图；
附图7本发明第三实施例电路原理图；
附图8本发明第四实施例电路原理图。
具体实施方式
图3为本发明的电路框图，所示的辅助供电电路包括接触器线圈、变压器、开关电路、整流滤波电路和防过压电路；变压器包括一个原边绕组和一个副边绕组；接触器线圈的输入端即为辅助供电电路的输入端，接触器线圈的输出端连接变压器原边绕组的一端；开关电路的输入端连接变压器原边绕组的另一端，开关电路的输出端接地，开关电路的控制端用于输入控制信号；变压器的副边绕组的一端和另一端分别与整流滤波电路的第一输入端和第二输入端相连，整流滤波电路的第二输入端还与地相连，整流滤波电路的输出端与防过压电路的输入端相连，防过压电路的输出端为辅助供电电路的输出端。
开关电路依据其控制端输入的控制信号实现导通和或关闭，在控制接触器线圈电流大小的同时，也控制变压器把能量从原边绕组传输到副边绕组；变压器用于将原边绕组的能量传输到副边绕组，无论原副边绕组同名端位置如何，都可以把能量从原边传到副边；整流滤波电路用于把副边绕组的电压整流滤波，得到平滑的直流电压，输出到防过压保护电路；变压器用于将原边绕组的能量传输到副边绕组，无论原副边绕组同名端位置如何，都可以把能量从原边传到副边；防过压电路的输出端为辅助供电电路的输出端，防过压电路用于防止辅助供电电路输出的电压过高，保护接触器的控制电路。
需要说明的是图3为本发明最佳实施方式的电路框图，在对可靠性要求不高或接触器的控制电路已设计输入过压保护电路的场合，防过压电路可以不需要。
第一实施例
图4所示为本发明第一实施例辅助供电电路原理图：包括接触器线圈、变压器T1、二极管D1、二极管D2、电容C1、N-MOS管TR1和稳压二极管Z1，其中变压器T1包括一个原边绕组和一个副边绕组；接触器线圈的一端与接触器的输入电压VIN和二极管D1的阴极相连，接触器线圈的另一端与变压器T1原边绕组的同名端相连；变压器T1原边绕组的异名端与N-MOS管TR1的漏极和二极管D1的阳极相连，N-MOS管TR1的源极接地GND,N-MOS管TR1的栅极用于输入控制信号CTRL。变压器T1副边绕组的异名端与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极经过电容C1接地GND。稳压二极管Z1与电容C1并联，稳压二极管Z1的阳极接地，稳压二极管Z1的阴极作为辅组电源的输出端VDD给控制电路供电，变压器T1副边绕组的同名端接地GND。
图5为第一实施例电路波形图，结合该波形图对第一实施例的电路工作原理分析如下：
t1～t2阶段：在该阶段内，N-MOS管TR1导通，由于接触器线圈有较大的匝间电容，N-MOS管导通瞬间匝间电容被充电产生较大的尖峰电流，尖峰电流同时也会储存在变压器T1的原边电感中。假设电流的尖峰值为IPPK，变压器T1原边绕组的感量为LP，这时变压器T1原边绕组储存的能量为1/2*IPPK*LP。
t2～t3阶段：在该阶段内，变压器T1原边的电流需要续流。该电流可以通过两条回路续流，一条续流回路是从二极管D1到接触器线圈到变压器T1原边电感，另一条续流回路是通过变压器T1把电流传输到副边的二极管D2、电容C1和副边电感。由于接触器线圈的电流不能突变，变压器T1原边的电流就不能走二极管D1到接触器线圈这一条续流回路。因此变压器T1原边的电流只能传输到副边，假设变压器T1的匝比为N，则副边电流的尖峰值为IPPK*N。
t3～t4阶段：在该阶段内，变压器T1的副边绕组给电容C2提供能量，假设供电电压为VDD，变压器T1副边感量为LS，则该阶段的时长为LS*IPPK*N/VDD。；时间点t4与t5没有必然的联系，也有可能t4时间点在t5之后。
t1～t5阶段：输入电压给接触器线圈励磁，接触器线圈电流上升。接触器线圈感量为亨级别的，而变压器T1原边感量为毫亨级别的，两者相差很大，变压器T1对接触器线圈的励磁电流影响很小，几乎可以忽略。所以说本发明的辅助供电电流，对原有的接触器节电电路，几乎无影响。
t5～t6阶段：在该阶段内，N-MOS管关断，接触器线圈的电流通过二极管D1续流，由于二极管D1压降的存在，接触器线圈的电流缓慢下降。
采用本实施例的技术方案，假设输出电压为12V，供电电流还是2mA，损耗就是24mW，远小于采用线性电源的440mW。由于整体供电的功率等级很小，本实施例中所用到的变压器也很小，可以用EE4.0或更小的磁芯和骨架，成本和体积也是很小的。
第二实施例
附图6所示为本发明第二实施例辅助供电电路原理图。本发明第二实施例包括包括接触器线圈、变压器T1、二极管D1、二极管D2、电容C1、N-MOS管TR1和稳压二极管Z1，其中变压器T1包括一个原边绕组和一个副边绕组；接触器线圈的一端与接触器的输入电压VIN和二极管D1的阴极相连，接触器线圈的另一端与变压器T1原边绕组的同名端和二极管D1的阳极相连；变压器T1原边绕组的异名端与N-MOS管TR1的漏极相连，N-MOS管TR1的源极接地GND,N-MOS管TR1的栅极用于输入控制信号CTRL。变压器T1副边绕组的异名端与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极经过电容C1接地GND。稳压二极管Z1与电容C1并联，稳压二极管Z1的阳极接地，稳压二极管Z1的阴极作为辅组电源的输出端VDD给控制电路供电，变压器T1副边绕组的同名端接地GND。
第二实施例与第一实施例相比，所用的器件一样，工作原理和效果一样，不一样的是二极管D1的接法。二极管D1并联于接触器线圈两端。由于变压器原边电流可以通过副边的二极管D2续流，原边的绕组不会感应出过高的反向电压，N-MOS管TR1漏源两端不会产生很高的尖峰电压，电路可以正常工作。
第三实施例
附图7所示为本发明第三实施例辅助供电电路原理图。本发明第三实施例包括接触器线圈、变压器T1、二极管D1、二极管D2、电容C1、N-MOS管TR1和三端稳压器，其中变压器T1包括一个原边绕组和一个副边绕组；接触器线圈的一端与接触器的输入电压VIN和二极管D1的阴极相连，接触器线圈的另一端与变压器T1原边绕组的同名端相连；变压器T1原边绕组的异名端与N-MOS管TR1的漏极和二极管D1的阳极相连，N-MOS管TR1的源极接地GND,N-MOS管TR1的栅极用于输入控制信号CTRL。变压器T1副边绕组的异名端与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极经过电容C1接地GND。三端稳压器的IN端与二极管D2和电容C1的连接点相连，三端稳压器的OUT端作为辅组电源的输出端VDD给控制电路供电，三端稳压器的GND端接地。
第三实施例与第一实施例相比，防过压电路所用的器件不一样，第三实施例中，防过压电路为一三端稳压器，第三实施例的工作原理与第一实施例相同，在此不赘述。
第四实施例
附图8所示为本发明第四实施例辅助供电电路原理图。本发明第四实施例包括包括接触器线圈、变压器T1、二极管D1、二极管D2、电容C1、N-MOS管TR1和稳压二极管Z1，其中变压器T1包括一个原边绕组和一个副边绕组；接触器线圈的一端与接触器的输入电压VIN和二极管D1的阴极相连，接触器线圈的另一端与变压器T1原边绕组的同名端相连；变压器T1原边绕组的异名端与N-MOS管TR1的漏极和二极管D1的阳极相连，N-MOS管TR1的源极接地GND,N-MOS管TR1的栅极用于输入控制信号CTRL。变压器T1副边绕组的同名端与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极经过电容C1接地GND。稳压二极管Z1与电容C1并联，稳压二极管Z1的阳极接地，稳压二极管Z1的阴极作为辅组电源的输出端VDD给控制电路供电，变压器T1副边绕组的异名端接地GND。
第四实施例与第一实施例相比，变压器T1原副边绕组的同名端位置不一样，工作原理相差比较大。在第一实施例中，在N-MOS管TR1导通期间，能量被储存在变压器T1的原边绕组中，当N-MOS管TR1关断时，能量被传输到变压器T1的副边绕组中。而在第四实施例中，在N-MOS管TR1导通期间，变压器T1的原边绕组给副边绕组传输能量，在N-MOS管TR1关断器件，变压器T1不传输能量。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种辅助供电电路，其特征在于：包括接触器线圈、变压器、二极管、开关电路和整流滤波电路；变压器包括一个原边绕组和一个副边绕组；接触器线圈的输入端即为辅助供电电路的输入端，接触器线圈的输出端连接变压器原边绕组的一端；二极管的阳极连接接触器线圈的输出端或变压器原边绕组的另一端，二极管的阴极连接接触器线圈的输入端；开关电路的输入端连接变压器原边绕组的另一端，开关电路的输出端接地，开关电路的控制端用于输入控制信号；变压器的副边绕组的两端分别与整流滤波电路的第一输入端和第二输入端相连，整流滤波电路的第二输入端还与地相连，整流滤波电路的输出端为辅助供电电路的输出端；
开关电路依据其控制端输入的控制信号实现导通或关闭，在控制接触器线圈电流大小的同时，也控制变压器把能量从原边绕组传输到副边绕组；
变压器用于将原边绕组的能量传输到副边绕组；
整流滤波电路用于把副边绕组的电压进行整流滤波，得到平滑的直流电压，输出到辅助供电电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的辅助供电电路，其特征在于：还包括防过压电路，防过压电路的输入端连接整流滤波电路的输出端，防过压电路的输出端为辅助供电电路的输出端，防过压电路用于防止辅助供电电路输出的电压过高。
3.根据权利要求1所述的辅助供电电路，其特征在于：所述的开关电路包括一N-MOS管，N-MOS管的栅极即为其控制端，N-MOS管的漏极即为其输入端，N-MOS管的的源极即为其输出端。
4.根据权利要求1所述的辅助供电电路，其特征在于：所述的整流滤波电路包括一二极管和一电容，二极管的阳极即为其第一输入端，电容的一端即为其第二输入端，二极管的阴极与电容的另一端相连作为整流滤波电路的输出端。
5.根据权利要求2所述的辅助供电电路，其特征在于：所述的防过压电路为一稳压二极管，稳压二极管的阴极为防过压电路的输出端，稳压二极管的阳极连接整流滤波电路的第二输入端。
6.根据权利要求2所述的辅助供电电路，其特征在于：所述的防过压电路为一三端稳压器，三端稳压器的输入端为防过压电路的输入端，三端稳压器的输出端为防过压电路的输出端。
7.一种应用权利要求1至6任一项所述的辅助供电电路的接触器，其特征在于：辅助供电电路的输入端连接接触器节电器的输入端，辅助供电电路的输出端连接接触器节电器的控制电路。
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