CN111525918A - 单路多功能定向磁控电子开关模块 - Google Patents

Abstract

一种单路多功能定向磁控电子开关模块是由：霍尔传感器，磁控触发器，大功率双稳态驱动器及外壳组成，其不但具有记忆功能，而且具有较高的开关速度，较高的灵敏度，较大的开关容量，较高的定位精度，同时使其能和现有电磁继电器，干簧管继电器融合在一起，根据不同场合用电设备的需要自行组合形成新的磁控电子开关继电器，同时还具有自主独立控制用电设备的能力，以及用于位置控制系统的精确定位，可以广泛应用于工业自动化控制和电机控制等领域。

Description

单路多功能定向磁控电子开关模块

技术领域

本发明涉及继电器电子开关技术，是一种新型的多功能定向磁控电子开关模块，尤其涉及工业自动化控制，电机控制等领域。

背景技术

继电器作为一种常用电子控制器件，广泛应用与人们的日常生活和工业控制领域，我们常用的电磁继电器，固态继电器，干簧管继电器，他们都各有优缺点，功能单一使用起来不尽如人意。

发明内容

本发明的目的就是研发一种单路多功能定向磁控电子开关模块，使其具有较高的开关速度，较高的灵敏度，较大的开关容量，较高的定位精度，并且具有记忆功能，同时使其能和现有电磁继电器，干簧管继电器融合在一起，根据不同场合用电设备的需要自行组合形成新的电子开关继电器，同时还具有自主独立控制用电设备的能力，当本开关模块和电磁继电器组合在一起，可以用于高压直流或者交流的低频开关控制系统中，当本开关模块和干簧管继电器组合在一起时，可以用于控制需要较高开关频率较小工作电流的控制系统中，本开关模块不仅可以和电磁继电器，干簧管继电器组合成新的电子开关继电器，而且自身就可以独立直接控制12伏到24伏的低压直流大功率设备的开与关，而且具有较高的开关速度和较大的开关容量，并且还具有记忆功能，一经触发永久运行再次触发才会关断，另外本开关模块还可以组合成H桥驱动模块可以控制12伏到24伏的直流电机的正反转实现电子换向，受外部磁场定向磁极精确控制的大功率定向磁控电子开关模块，还可以用于位置控制系统并且定位精确为工业自动化控制及电机的控制系统提供支持。本发明的目的是这样实现的，一种单路多功能定向磁控电子开关模块是由：霍尔传感器，磁控触发器，双稳态大功率驱动器以及外壳组成。通过霍尔传感器接收外部磁场的定向磁极信号S极或者是N极的磁极信号来触发霍尔传感器给磁控触发器提供导通与关断信号来控制大功率双稳态驱动器的两只大功率场效应管Q1和Q2的导通与关断，从而实现了本开关模块的开通与关断，进而实现了被控设备开通与关断的目的。实施的具体技术解决方案如下：一种单路多功能定向磁控电子开关模块是由：霍尔传感器，磁控触发器，大功率双稳态驱动器以及外壳组成，其相互位置及装配关系为：霍尔传感器H与大功率P沟道场效应管(Q1)和(Q2)分别和大功率开关三极管(BG1)和(BG2)及各相应电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8连接在一起形成磁控触发器总成见图1，磁控触发器导通信号输出端接口P1与大功率双稳态驱动器导通信号输入端接口P1连接在一起，磁控触发器关断信号输出端接口P2与大功率双稳态驱动器关断信号输入端接口P2连接在一起，四个大功率开关三极管BG1、BG2、BG3、BG4及各相应电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R11、R12和电容C1组成双稳态前级驱动与后级驱动的大功率场效应管Q1和Q2及相应电阻R9、R10连接组成见图3，磁控触发器总成电路与大功率双稳态驱动器共用一个电源相互并联，另外本开关模块可以和电磁继电器组合在一起形成一个新的电子开关继电器见图2可以用于需要高压直流或交流的低频开关的工业自动化控制系统中，本开关模块还可以和干簧管继电器组合在一起形成一个新的电子开关继电器见图2可以用于需要较高开关频率较小工作电流的工业自动化控制系统中，本开关模块如果独立运行见图3那他就是个高速电子磁控开关，可用于控制12伏到24伏的低压直流的高低频开关的工业自动化控制系统及位置控制系统，另外本开关模块还可以组合成H桥驱动模块见图4可以控制直流电机的正反转，从而实现电子换向，需要说明的是本开关模块组合成H桥驱动模块时，需要换装双极性磁控触发器，单独作为开关模块使用时只需要用单极性磁控触发器，另外需要说明的是霍尔传感器分N型霍尔传感器和S型霍尔传感器，N型霍尔传感器和S型霍尔传感器是通过霍尔传感器的正反面转换来实现的。S型霍尔传感器只会被外部磁场的S极所触发，N型霍尔传感器只会被外部磁场的N极所触发，当外部磁场的N极接近S型霍尔传感器的时候，S型霍尔传感器不会被触发，同理当外部磁场的S极接近N型霍尔传感器的时候N型霍尔传感器不会被触发，磁控触发器总成也分单极性磁控触发器和双极性磁控触发器，单极性磁控触发器主要用于电子开关模块的控制，双极性磁控触发器主要用于H桥驱动模块的控制用于电子换向，除特别署名外本开关模块均用单极性磁控触发器，单级性磁控触发器和双极性磁控触发器的区别就是：单级性磁控触发器总成里面只安装有一只单极性的N极或者S极的霍尔传感器，双极性磁控触发器总成就是总成里安装有两只单极性的N型和S型霍尔传感器。

本发明与现有的电磁继电器，干簧管继电器，固态继电器相比具有如下优点和有益效果：

（1） 本开关模块兼容通用性强，具有多种功能，即可以和电磁继电器组合成新的电子开关继电器，又可以和干簧管继电器组合成新的电子开关继电器，根据各自需要应用的场合随意组合，只需要更换合适功率大小的电磁继电器或者干簧管继电器就可以了，而无需更换继电器所需的驱动设备，因为本大功率双稳态驱动器既可以驱动电磁继电器也可以驱动干簧管继电器，节约了使用成本安装也非常方便。

（2）本开关模块和电磁继电器组合在一起形成新的磁控电子开关继电器，可以用于高压直流或者交流的低频开关控制系统中，实现高低压隔离同时具有较高的灵敏度和精确度。

（3）本开关模块和干簧管继电器组合在一起形成新的磁控电子开关继电器，可以用于控制需要较高开关频率较小工作电流的直流控制系统中，具有较高的灵敏度和精确度，灵敏度和开关速度高于传统的干簧管继电器。

（4）本开关模块独立运行他就是一个高速电子磁控开关，具有较高的开关速度，具有较大的开关容量，较高的灵敏度，他可以直接控制12伏到24伏的低压大功率直流用电设备。

（5）本开关模块还可以组合成H桥驱动模块可以控制12伏到24伏的直流电机的正反转，实现电子换向。

（6）本开关模块由于采用了磁场磁极的定向控制，可以用于位置控制系统定位的精确控制。

（7）本开关模块装配有运行工作指示灯，出现故障一目了然，经大量实验验证运行稳定工作可靠。

（8）本开关模块具有记忆功能，当磁控触发器接收到外部磁极的导通信号触发时驱动器始终处于导通状态，外部磁场消失也不会关断，只有再次触发磁控触发器发出关断信号，开关模块才会关断，当磁控触发器接收到外部磁极的关断信号时驱动器始终处于关断状态，外部磁场消失也不会导通，而干簧管的特性是外部磁场必须始终作用与干簧管，没有记忆功能，而且不分南南北极只要有磁场就可以触发无法做到精确控制。

附图说明

下面结合附图和实施列对本发明做进一步说明：

图1为单极性磁控触发器电路原理图P1—导通信号输出端接口 P2—关断信号输出端接口。

图2为本开关模块的大功率双稳态驱动器与电磁继电器或者干簧管继电器组合成新的电子开关原理图。

图3为本开关模块的大功率双稳态驱动器直接驱动被控设备原理图P1—导通通信号输入端接口 P2—关断信号输入端接口。

图4为本开关模块的大功率双稳态驱动器组合成的电子换向H桥驱动模块的原理图用于控制电机的正反转。

图5为双极性磁控触发器总成电路原理图P1—为正向导通信号输出端接口 P2—为正向关断信号输出端接口 P3—为反向导通信号输出端接口 P4—为反向关断信号输出端接口。

图6为本开关模块工作原理流程示意简图。

图7为本开关模块外形结构图 1-模块外壳 2-模块底板 3-螺栓孔。

具体实施方式

一种单路多功能定向磁控电子开关模块是由：霍尔传感器，磁控触发器，大功率双稳态驱动器以及外壳组成，具体实施的技术解决方案如下：霍尔传感器H与大功率P沟道场效应管Q1和Q2分别和大功率开关三极管BG1和BG2及各相应电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8连接组成磁控触发器总成用于给大功率双稳态驱动器提供导通与关断信号，此导通与关断信号受外部磁场定向磁极N极或者S极的控制见图1,，当外部定向磁极的S极或者N极接近S型霍尔传感器或者N型霍尔传感器，此时磁控触发器就会对大功率双稳态驱动器发出导通或者关断信号，从而控制大功率双稳态驱动器的大功率场效应管Q1和Q2的导通与关断，从而实现了模块的开与关，见图1、2、3，其相互位置及装配连接关系为：霍尔传感器H与大功率P沟道场效应管Q1和Q2分别和大功率开关三极管BG1和BG2以及各相应电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8连接在一起组成磁控触发器总成，磁控触发器导通信号输出端接口P1与大功率双稳态驱动器的导通信号输入端接口P1连接在一起，磁控触发器关断信号输出端接口P2与大功率双稳态驱动器的关断信号输入端接口P2连接在一起，磁控触发器与大功率双稳态驱动器共用一个主电源相互并联，四个大功率开关三极管BG1、BG2、BG3、BG4以及电容C1和各相应电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R11、R12组成双稳态前级驱动与后级驱动大功率场效应管Q1和Q2以及相应电阻R9、R10连接组成，通过高低电平的转换来控制大功率场效应管Q1和Q2的导通与关断从而实现了被控设备的开与关，被控设备可以根据实际需要选择与本开关模块组合连接，当本开关模块和电磁继电器组合在一起，可以用于高压直流或者交流的低频开关控制系统中见图2，当本开关模块和干簧管继电器组合在一起，可以用于控制需要较高开关频率较小工作电流的控制系统中见图2本开关模块还可以独立运行那他就是个高速电子磁控开关，可用于控制12伏到24伏的低压直流的高低频开关的工业自动化控制系统见图3，另外本开关模块还可以组合成H桥驱动模块可以控制直流电机的正反转，从而实现电子换向，组合H桥驱动模块的时候需要换装双极性磁控触发器见图4、5，双极性磁控触发器正向导通信号输出端接口P1与大功率双稳态驱动器正向导通信号输入端接口P1相连接，双极性磁控触发器正向关断信号输出端接口P2与大功率双稳态驱动器正向关断信号输入端接口P2相连接，双极性磁控触发器反向导通信号输出端接口P3与大功率双稳态驱动器反向导通信号输入端接口P3相连接，双极性磁控触发器总成反向关断信号输出端接口P4与大功率双稳态驱动器反向关断信号输入端接口P4相连接，最后所有电子元件总成都装配在外壳里，另外需要说明的是霍尔传感器分N型霍尔传感器和S型霍尔传感器，N型霍尔传感器和S型霍尔传感器是通过霍尔传感器的正反面转换来实现的。磁控触发器也分单极性磁控触发器和双极性磁控触发器，单极性磁控触发器主要用于电子开关模块的控制，双极性磁控触发器主要用于H桥驱动模块的控制，除特别署名外本开关模块均用单极性磁控触发器，单级性磁控触发器和双极性磁控触发器的区别就是：单级性磁控触发器就是总成里只安装有一只单极性的N极或者S极的霍尔传感器，双极性磁控触发器就是总成里安装有两只单极性的N型和S型霍尔传感器一个正着装一个反着装，通过正反面的转换来实现磁极的转换。

具体工作原理

单路多功能定向磁控电子开关模块的工作原理如下，首先讲解大功率双稳态驱动器工作原理如图3，当电源接通的瞬间BG1最先导通指示灯LED1亮，之所以在任何时候都可以保证BG1最先导通是因为电容C1的存在，电容C1充电需要一个时间电容C1延迟了BG2的导通，同时由于电容C1两端的电压不能变也保证了双稳态驱动器的稳定，在没有外来磁场信号触发的情况下使双稳态驱动器始终保持一种稳定的状态不会受外界干扰轻易翻转换成另外一种状态这就是电路的记忆功能，BG1的导通使BG3也导通，BG3的导通使大功率N沟道场管Q1的G极电位降低而截止Q1关断，BG1的导通还引起BG2因基极处于低电位而截止指示灯LED2不亮，BG2的截止同时又引起BG4因基极处于低电位而截止，BG4的截止又引起大功率P沟道场管Q2因G极处于高电位而截止，Q2也处于关断状态，在没有外来磁场信号触发的情况下Q1和Q2始终处于关断状态，电路始终保持一种稳定的关闭状态。下面进一步讲述磁控触发器和大功率双稳态驱动器的工作原理，首先把磁控触发器如图1和大功率双稳态驱动器如图3连接在一起，把磁控触发器的P1接口和大功率双稳态驱动器的P1接口连接在一起，把磁控触发器的P2接口和大功率双稳态驱动器的P2接口连接在一起具体工作原理如下，当外部磁场的S极接近S型霍尔传感器时如图1的（A），此时大功率P沟道场管Q1的G极处于低电位而导通，BG1因此而导通见图1（A）BG1的导通相当于开关P1闭合见图3，P1的闭合使BG1迅速截止指示灯LED1熄灭，BG1的截止引起BG3截止使大功率N沟道场管Q1的G极因处于高电位而导通，BG1的截止同时引起BG2因基极处于高电位而导通指示灯LED2亮，BG2的导通又引起BG4因基极电位升高而导通，BG4的导通又引起大功率P沟道场管Q2的G极电位迅速降低Q2因此而导通，Q1和Q2的导通使被控设备得以通电运行。同理当外部磁场的S极接近S型霍尔传感器H时见图1（B）大功率P沟道场管Q2导通的同时使BG2也导通，BG2的导通相当于开关P2闭合见图3，P2的闭合使BG2迅速截止指示灯LED2迅速熄灭，BG2的截止引起BG4截止，BG4的截止又引起大功率P沟道场管Q2的G极电位迅速升高而截止，Q2因此而关断，图3中BG2截止的同时又引起BG1的基极电位迅速升高BG1因此而导通指示灯LED1亮，BG1的导通同时又引起BG3导通，BG3的导通又引起大功率N沟道场管Q1的G极电位迅速降低而截止，Q1因此而关断，Q1和Q2的同时关断使被控设备运行终止，电路回到原始关断状态，如此周而复始开关模块在外部磁场信号的控制下控制被控设备不停的处于一开一关的状态，当磁控触发器被外部磁场信号触发以后模块开关始终可以保持一种稳定的开与关的状态，使被控设备保持一种稳定的开与关的状态，模块一经触发即使外部磁场信号消失也不会改变模块的开与关的状态也就是说具有记忆功能，保证了被控设备的稳定运行，本模块的开关速度取决于外部磁场信号的开关频率，外部磁场信号的开关频率越高，模块的开关速度就越快，霍尔传感器是一种高速高灵敏度的磁性传感器它的工作频率在100HZ以上，同时也是高精度的位置传感器具有精确的定位功能，大功率开关三极管的工作频率在3MHZ，如此高的开关速度是电磁继电器和干簧管继电器望尘莫及的。图1中Q1和Q2为大功率P沟道场管型号为IRF9Z24，大功率开关三极管BG1和BG2型号为TIP41C，电阻型号为大功率碳膜电阻具体阻值根据实际情况而定，霍尔传感器型号为3144.图3中电容C1型号为822JCH1200V电阻型号为大功率碳膜电阻具体阻值根据实际工作电压而定，运行工作指示灯LED1和LED2为发光二极管当电路出现故障一目了然为维修提供了便利，大功率开关三极管BG1、BG2、BG3、BG4型号为TIP41C，二极管D1和D2为大功率肖特基快关二极管图1磁控触发器和图3大功率双稳态驱动器工作电压为12伏或者24伏具体根据实际情况而定，当本开关模块和电磁继电器或者干簧管继电器组合形成新的开关模块时其工作原理如下：当外部磁场的S极接近S型霍尔传感器时如图1的（A），此时大功率P沟道场管Q1的G极处于低电位而导通，BG1因此而导通见图1（A）BG1的导通相当于开关P1闭合见图2，P1的闭合使BG1迅速截止指示灯LED1熄灭，BG1的截止引起BG3截止使大功率N沟道场管Q1的G极因处于高电位而导通，BG1的截止同时引起BG2因基极处于高电位而导通指示灯LED2亮，BG2的导通又引起BG4因基极电位升高而导通，BG4的导通又引起大功率P沟道场管Q2的G极电位迅速降低Q2因此而导通，Q1和Q2的导通使电磁继电器或者干簧管继电器的激磁线圈导通此时电磁继电器或者干簧管继电器的触点吸合被控设备通电运行，同理当外部磁场的S极接近S型霍尔传感器H时见图1（B）大功率P沟道场管Q2导通的同时使BG2也导通，BG2的导通相当于开关P2闭合见图2，P2的闭合使BG2迅速截止指示灯LED2迅速熄灭，BG2的截止引起BG4截止，BG4的截止又引起大功率P沟道场管Q2的G极电位迅速升高而截止，Q2因此而关断，图2中BG2截止的同时又引起BG1的基极电位迅速升高BG1因此而导通指示灯LED1亮，BG1的导通同时又引起BG3导通，BG3的导通又引起大功率N沟道场管Q1的G极电位迅速降低而截止，Q1因此而关断，Q1和Q2的同时关断使电磁继电器或者干簧管继电器的激磁线圈迅速截止此时电磁继电器或者干簧管继电器的触点断开被控设备电路被切断停止运行，就这样如此往复的首先控制电磁继电器或者干簧管继电器一开一关然后再通过电磁继电器或者干簧管继电器来控制被控设备的开与关见图2，当本开关模块组合成H桥驱动模块时如图4其工作原理如下：本模块组合成H桥驱动模块时需要换装双极性磁控触发器如图5，当外部磁场的S极接近S型霍尔传感器时如图5（A），此时大功率P沟道场管Q1的G极处于低电位而导通，BG9因此而导通见图5（A）BG9的导通相当于开关P1闭合见图4，P1的闭合使BG1迅速截止指示灯LED1熄灭，BG1的截止引起BG3截止使大功率N沟道场管Q1的G极因处于高电位而导通，BG1的截止同时引起BG2因基极处于高电位而导通指示灯LED2亮，BG2的导通又引起BG4因基极电位升高而导通，BG4的导通又引起大功率P沟道场管Q2的G极电位迅速降低Q2因此而导通，Q1和Q2的导通使电机M正向运转，同理当外部磁场的S极接近S型霍尔传感器H时见图5（B）大功率P沟道场管Q2导通的同时使BG10也导通，BG10的导通相当于开关P2闭合见图4，P2的闭合使BG2迅速截止指示灯LED2迅速熄灭，BG2的截止引起BG4截止，BG4的截止又引起大功率P沟道场管Q2的G极电位迅速升高而截止，Q2因此而关断，图4中BG2截止的同时又引起BG1的基极电位迅速升高BG1因此而导通指示灯LED1亮，BG1的导通同时又引起BG3导通，BG3的导通又引起大功率N沟道场管Q1的G极电位迅速降低而截止，Q1因此而关断，Q1和Q2的关断使电机M正向运行停止键图4，当外部磁场的N极当外部磁场的N极接近N型霍尔传感器时如图5（C），此时大功率P沟道场管Q3的G极处于低电位而导通，BG11因此而导通见图5（C）BG11的导通相当于开关P3闭合见图4，P3的闭合使BG5迅速截止指示灯LED1熄灭，BG5的截止引起BG7截止使大功率N沟道场管Q3的G极因处于高电位而导通，BG5的截止同时引起BG6因基极处于高电位而导通指示灯LED2亮，BG6的导通又引起BG8因基极电位升高而导通，BG8的导通又引起大功率P沟道场管Q4的G极电位迅速降低Q4因此而导通，Q3和Q4的导通使电机M反向运转，同理当外部磁场的N极接近N型霍尔传感器时如图5（D），此时大功率P沟道场管Q4的G极处于低电位而导通，BG12因此而导通见图5（D）BG12的导通相当于开关P4闭合见图4，P4的闭合使BG6迅速截止指示灯LED2熄灭，BG6的截止引起BG5导通从而使BG7导通BG7的导通使大功率N沟道场管Q3的G极因处于低电位而截止，BG6的截止同时引起BG5因基极处于高电位而导通指示灯LED1亮，BG6的截止又引起BG8因基极电位降低而截止，BG8的截止又引起大功率P沟道场管Q4的G极电位迅速升高而截止，Q3和Q4的截止传使电机反向运转停止，如此周而复始电机在外部磁场信号的控制下一会正转一会反转，从而达到了H桥的电子换向目的，图6为本开关模块的工作原理流程示意图首先是外部磁场信号触发霍尔传感器，（霍尔传感器又分S型霍尔传感器和N型霍尔传感器）霍尔传感器在触发磁控触发器，（磁控触发器又分单极性磁控触发器和双极性磁控触发器）磁控触发器在控制大功率双稳态驱动器然后控制被控设备。

Claims (3)

1.一种单路多功能定向磁控电子开关模块是由：霍尔传感器，磁控触发器，大功率双稳态驱动器以及外壳组成，其特征在与本开关模块可以和电磁继电器组合在一起形成一个新的电子开关，可以用于需要高压直流或交流的低频开关的控制系统中，本开关模块还可以和干簧管继电器组合在一起形成一个新的电子开关，可以用于需要较高开关频率较小工作电流的直流控制系统中，本开关模块还可以独立运行，那他就是个高速电子磁控开关，可用于控制12伏到24伏的低压直流的高低频开关的控制系统及位置控制系统，本开关模块还可以组合成H桥驱动模块可以控制直流电机的正反转实现电子换向。

2.根据权利要求1所诉的单路多功能定向磁控电子开关模块其特征是，所诉的磁控触发器是由霍尔传感器H与大功率P沟道场效应管Q1和Q2分别和大功率开关三极管BG1和BG2及各相应电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8连接在一起组成。

3.根据权利要求1所诉的单路多功能定向磁控电子开关模块其特征是，所诉的大功率双稳态驱动器是由四个大功率开关三级管BG1、BG2、BG3、BG4通过各相应的电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R11、R12以及电容C1组成双稳态前级驱动与后级驱动的大功率场效应管Q1和Q2及相应电阻R9、R10以及二极管D1和D2连接组成。

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