CN110416009B - 无电弧长寿命的继电器开关电路及控制器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种无电弧长寿命的继电器开关电路及控制器。该电路包括：继电器开关，以及与所述继电器开关并联的可控硅开关，所述可控硅开关由与同步信号相同步的触发信号所触发。所述可控硅开关、同步信号、触发信号的应用，可以使输出电压得以控制，从而实现对负载状态的判断。本发明实施例提供的无电弧长寿命的继电器开关电路及控制器能够消除继电器接通和断开瞬间的电弧干扰，延长继电器的使用寿命，判断负载状态。

Description

无电弧长寿命的继电器开关电路及控制器

技术领域

本发明涉及电工电子技术领域，特别是涉及一种无电弧长寿命的继电器开关电路及控制器。

背景技术

当今的电气时代，在诸多电器的控制中，最常用的方法是采用继电器、接触器等机械开关来控制电器的通断。使用频繁的继电器作为电子输出器件，其使用寿命以及可靠性也是一个不可回避的话题。

关于继电器的寿命，其实包括两个问题，即机械寿命和电气寿命，一般继电器在不带负载的情况下的开关次数1000万次，这被称为机械寿命。电气寿命是在额定负载状况下，的开关次数，一般标称为10万次，这被称为电气寿命。

我们会发现机械寿命与电气寿命相差100倍，这主要是因为继电器负载情况下触点在接通和断开时会产生瞬间电位差，从而产生火花烧蚀触点造成的。

另外在传统的供电方式中，插头插座的链接方式非常普遍，但是插座对插入插头所连接的负载状态是不做检验的，该方案提供了一种能够对负载状态实施检测的一种方法，可以有效避免电流短路的发生。

使用无电弧切换的方法，可以有效的避免设备对电网的干扰，对减小电网噪声污染有很显著的效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无电弧长寿命的继电器开关电路及控制器，以消除继电器接通和断开瞬间的电弧干扰，延长继电器的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种无电弧长寿命的继电器开关电路，所述电路包括：继电器开关，以及与所述继电器开关并联的可控硅开关，所述可控硅开关由与同步信号相同步的触发信号所触发；其中，所述同步信号由同步信号发生电路通过检测正弦信号的过零点而产生，所述触发信号由单片机根据与所述触发信号同步的同步信号生成，并且所述继电器开关在所述可控硅开关完全打开的情况下接通或者关断。

在一些实施方式中，继电器同三极管串联在电源与信号地之间，且所述三极管的基极连接至所述单片机的继电器控制端口，所述单片机的半导体开关控制端口连接至所述可控硅开关。

在一些实施方式中，所述同步信号发生电路包括：二极管同步信号发生电路、光耦同步信号发生电路、变压器同步信号发生电路，或者三极管同步信号发生电路。

在一些实施方式中，开启时序为：可控硅开关在零点开通逐渐加大开通角，直至到电路完全开通；打开继电器，此时继电器触点几乎在零电压环境下接通，可控硅开关被继电器触点旁路；此时电路已经完全接通，关断可控硅开关；关闭时序为：当要关闭该电路时，首先让可控硅开关开通到最大即全开；可控硅开关开通到最大后，关闭继电器，让触点断开；当继电器断开后，逐渐调整触发脉冲在同步脉冲中的位置，直到完全关闭电源。

在一些实施方式中，所述单片机还用于检测温度信号，根据温度的大小，来判断是否开启或者关闭电路,达到温度保护的目的。

在一些实施方式中，还包括：设备状态检测电路；所述设备状态检测电路包括：负载，所述负载的两端分别串联有第一分压电阻和第二分压电阻，所述第二分压电阻的另一端接地，在所述第一分压电阻与所述第二分压电阻的连接点处引出状态检测端口，在所述状态检测端口与信号地之间反向连接有二极管，并且，所述状态检测端口被连接至所述单片机的AD模拟量采样端口。

在一些实施方式中，另一组继电器与三极管串联在电源与信号地之间，且其中的三极管的基极连接至所述单片机的继电器控制端口。

此外，本发明还提供了一种控制器，所述控制器包括根据前文所述的无电弧长寿命的继电器开关电路。

在一些实施方式中，所述控制器包括：温度控制器，插座控制器。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

(1)、可控硅开关与继电器的并联使用；(2)、增加了同步产生电路，使得可控硅开关能够在接近零电压、零电流下开通并实现开度的自由调节；(3)限制脉宽输出，电压对比方式的负载状态检测方式应用；(4)、增加了微处理器逻辑控制，能够灵活的采集开关量参数、模拟量参数等信息，并加以实时的逻辑运算和控制；(5)、具有对设备状态判断的功能；(6)、可以预设设备状态，当发生变化时实现保护。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明实施例提供的无电弧长寿命的继电器开关电路的电路结构图；

图2是本发明实施例提供的可控硅与继电器开通和关断时序图；

图3是本发明实施例提供的单片机的电路结构图；

图4A是本发明实施例提供的同步信号与触发脉冲的相位关系图；

图4B是本发明实施例提供的同步信号与触发脉冲的相位关系图；

图5是本发明实施例提供的二极管同步信号发生电路的电路结构图；

图6是本发明实施例提供的光耦同步信号发生电路的电路结构图；

图7是本发明实施例提供的三极管同步信号发生电路的电路结构图；

图8是本发明实施例提供的无电弧长寿命的继电器开关电路的电路结构图；

图9是本发明实施例提供的无电弧长寿命的继电器开关电路的另一种无微漏电电路结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种无电弧长寿命的继电器开关电路。图1示出了这种无电弧长寿命的继电器开关电路的电路结构。参见图1，无电弧长寿命的继电器开关电路包括：相互并联的可控硅开关以及继电器开关。

之所以将可控硅开关与继电器开关并联，目的在于通过控制可控硅开关及继电器开关之间的打开及关断时序，消除继电器接通及关断时的电弧干扰，延长继电器的使用寿命。

继续参见图1，无电弧长寿命的继电器开关电路还包括：继电器，以及起控制作用的三极管。三极管的集电极与继电器的一端连接，继电器的另一端与电源VDD连接。三极管的发射极接地。另外，三极管的基极连接用来触发继电器开关打开或者关断的触发信号。典型的，上述触发信号由单片机产生。

图2示出了本发明实施例提供的可控硅开关与继电器开关的打开及关断时序。参见图2，在打开过程中，可控硅开关在零点开通逐渐加大开通角，直至到电路完全开通；打开继电器，此时继电器触点几乎在零电压环境下接通，可控硅开关被继电器触点旁路；此时电路已经完全接通，这时可以关断可控硅开关。

继续参见图2，在关断过程中，当要关闭该电路时，首先让可控硅开关开通到最大即全开；可控硅开关开通到最大后，关闭继电器，让触点断开，由于此时开关属于开通状态，故触点两端没有电位差，也不会产生电弧火花；当继电器断开后，逐渐调整触发脉冲在同步脉冲中的位置，直到完全关闭电源。

上述的无电弧长寿命的继电器开关电路主要应用在：各种温度控制器；无电弧的控制器电路；各种智能安全电源插座控制中的应用等等。

图3示出了用于产生触发信号的单片机的电路结构。参见图3，单片机的输入信号端口有：AD模拟量采样端口、同步信号输入端口。对应的，单片机的输入信号有：AD模拟量采样信号、同步信号。

获取到由同步信号输入端口输入的同步信号，单片机根据同步信号产生对应的触发信号。产生触发信号的过程中，产生的触发信号需要与输入的同步信号之间保持一定的时序关系。借助对于这种时序关系的控制，能够保证输入到继电器开关中的触发信号能够控制继电器开关在正确的时间点上打开或者关断，从而保证对电弧干扰的消除。

图4A及图4B分别示出了两种实施方式下，同步信号与触发信号之间的相位关系。参见图4A及图4B，触发脉冲在两个同步脉冲之间按照事先设计好的时间顺序自由移动，并且可控硅开关的操作都是在同步脉冲的过零点处进行触发。

如图4A及图4B示出的，同步信号为矩形波信号。同步信号由专门的同步信号发生电路根据输入的正弦波信号生成。同步信号发生电路可以有：二极管同步信号发生电路、光耦同步信号发生电路，以及三极管同步信号发生电路。

需要强调的是，在本发明实施例提供的任意一种同步信号发生电路中，同步信号的生成均是通过检测正弦信号的过零点而生成的。采用这种方式生成同步信号，能够保证最终用于触发继电器打开或者关断的触发信号对于电网的冲击较小，保证了继电器在零电压、零电流时切换，有效的避免了设备对电网的冲击,去除了电弧干扰，又充分的利用了继电器开关良好的过流与过载特性。

在本发明实施例中，单片机的作用是检测温度信号，根据温度的大小，来判断是否开启或者关闭电路并按着事先录入的逻辑运行内部程序。

图5至图7分别示出了上述三种不同形式的同步信号发生电路。图5示出了二极管同步信号发生电路的电路结构。参见图5，交流电从N,L端输入，通过电阻降压和二极管钳位作用，在接单片机的端上产生同步波形。

在图5中，R1是输入降压限流电阻。D1与D2是高压整流二极管。二极管D1用来把电位钳位到5V。二极管D2用来做半波整流到R1,形成回路。输入端的交流电波形，经由该电路后生成同步波形。

图6示出了光耦同步信号发生电路的电路结构。参见图6，220V交流N端经电阻R7降压限流后与IC1光耦初级回到交流电的L端。D3是反向续流二极管。光耦次级光电三极管侧产生同步信号。

图7示出了三极管同步信号发生电路的电路结构。参见图7，经过上述的三极管同步信号发生电路的处理，能够根据输入的220/110V的正弦波信号生成矩形波形式的同步信号。

在本发明的一些优选实施例中，无电弧长寿命的继电器开关电路还包括：设备状态检测电路。图8示出了这种带设备状态检测电路的无电弧长寿命的继电器开关电路的电路结构。

参见图8，设备状态检测电路具有以下几种状态：(1)以限制脉宽的方式，控制输出合适的安全电压；(2)正常状态：在不通电状态，A,B两点间电压基本相同；(3)负载开路：负载开路后，A点没有电压，B点电压正常；(4)负载短路：开机前可控硅开通一个安全角度，这时，测量A,B两点间的电压，测试A点电压低于B点一个数值，通过这个数值，判断设备是否正常；(5)短路状态：可控硅给一定角度后，A,B两点没有点位差，即可判断为设备短路。

在图8示出的实施方式中，设备状态检测电路以限制脉宽的方式，控制输出电压，然后通过输出端电压的对比，来判断负载状态。即限制脉宽输出，电压对比方式的负载状态检测方式应用。

在本发明的另一些优选实施例中，无电弧长寿命的继电器开关电路可用同时用于控制多个继电器的打开和关断。图9示出了这种无电弧长寿命的继电器开关电路的电路结构。

参见图9，在电源VDD与信号地之间，并联有两个继电器，以及与继电器对应设置的三极管。与可控硅开关并联的继电器开关同时用来控制两个继电器的打开及关断。并联的可控硅开关与继电器开关的打开及关断时序与图2中时序相同，J1继电器的时序是在开通时，首先打开。在关断时，最后关闭，这个电路的作用是防止可控硅开关的微漏电场合。这样，就可以保证两个继电器均不会受到打开或者关断时的电弧的影响。

本发明各个实施例中主要包含以下技术要点：

1.延时开启方式的应用，只有电路稳定后，开关才能逐渐开启，这样就有效的防止了插头插入时的电火花。

2.继电器与可控硅开关器件的并联使用。

3.可控硅开关的过零点开启与关闭方式，有效的减小了浪涌电流。

4.限制脉宽输出，电压对比方式的负载状态检测电路方式应用。

5.可控硅共地触发方式在家用电器上的应用，简化电源为无变压器电源方式，电压范围宽，省略了变压器，而且50HZ-60Hz通用。减少了电源成本。

6.开启时序为(1)可控硅开关在零点开通逐渐加大开通角，直至到电路完全开通。(2)打开继电器，此时继电器触点几乎在零电压环境下接通(很小的电压下)，可控硅开关被继电器触点旁路。(3)此时电路已经完全接通，这时可以关断可控硅开关(可以不关)。

7.关闭时序为(1)当要关闭该电路时，首先让可控硅开关开通到最大即全开。(2)可控硅开关开通到最大后，关闭继电器，让触点断开，由于此时开关属于开通状态，故触点两端没有电位差，也不会产生电弧火花。(3)当继电器断开后，逐渐调整触发脉冲在同步脉冲中的位置，直到完全关闭电源。

8.简单的同步脉冲生成电路：(1)二极管方式；(2)光耦隔离生成方式；(3)三极管方式。

9.由于该电路使用MCU作为主动器件，增加了温度检测和温度控制。该电路可以用做小功率且频烦通断的电加热设备的温度控制。

10.有效的解决了继电器作为开关器件时，受使用动作次数限制的问题。

11.设备状态检测，能够通过可控硅的开度以及设备检测电路A,B两点的电压值，判断设备状态，区分正常状态和短路状态。

12.这种电路可以应用于智能插座控制器，这种控制器可以判断设备的状况变化参数，从而进行安全控制。

与其他类似产品的对比：本设计引入了同步发生电路；本设计可控硅开关器件均可在过零点开通和关闭；限制脉宽输出，电压对比方式的负载状态检测方式应用；采用单片机参与控制，做到了多参数复杂逻辑下的运行；能够检测设备是否工作在正常状态；短路状态检测。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种无电弧长寿命的继电器开关电路，其特征在于，包括：继电器开关、与所述继电器开关并联的可控硅开关，所述可控硅开关由与同步信号相同步的触发信号所触发、共地方式触发；

其中，所述同步信号由同步信号发生电路通过检测正弦信号的过零点而产生，所述触发信号由单片机根据与所述触发信号同步的同步信号生成，并且所述继电器开关在所述可控硅开关完全打开的情况下接通或者关断；

开启时序为：可控硅开关在零点开通逐渐加大开通角，检测负载状态，状态正常后直至到电路完全开通；打开继电器，此时继电器触点几乎在零电压环境下接通，可控硅开关被继电器触点旁路；此时电路已经完全接通，关断可控硅开关；

关闭时序为：当要关闭该电路时，首先让可控硅开关开通到最大即全开；可控硅开关开通到最大后，关闭继电器，让触点断开；当继电器断开后，逐渐调整触发脉冲在同步脉冲中的位置，直到完全关闭电源。

2.根据权利要求1所述的无电弧长寿命的继电器开关电路，其特征在于，继电器同三极管串联在电源与信号地之间，且所述三极管的基极连接至所述单片机的继电器控制端口，所述单片机的半导体开关控制端口连接至所述可控硅开关。

3.根据权利要求1或2所述的无电弧长寿命的继电器开关电路，其特征在于，所述同步信号发生电路包括：二极管同步信号发生电路、光耦同步信号发生电路、三极管同步信号发生电路，变压器同步信号发生电路。

4.根据权利要求1或2所述的无电弧长寿命的继电器开关电路，其特征在于，所述单片机还用于检测温度信号，根据温度的大小，来判断是否开启或者关闭电路。

5.根据权利要求1或2所述的无电弧长寿命的继电器开关电路，其特征在于，还包括：设备状态检测电路；

所述设备状态检测电路包括：负载，所述负载的两端分别串联有第一分压电阻和第二分压电阻，所述第二分压电阻的另一端接地，在所述第一分压电阻与所述第二分压电阻的连接点处引出状态检测端口，在所述状态检测端口与信号地之间反向连接有二极管，并且，所述状态检测端口被连接至所述单片机的AD模拟量采样端口。

6.根据权利要求1或2所述的无电弧长寿命的继电器开关电路，其特征在于，另一组继电器与三极管串联在电源与信号地之间，且其中的三极管的基极连接至所述单片机的继电器控制端口。

7.一种控制器，其特征在于，包括根据权利要求1至6任意一项所述的无电弧长寿命的继电器开关电路。

8.根据权利要求7所述的控制器，其特征在于，所述控制器包括：温度控制器，插座控制器。

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