CN113300334A - 一种继电器保护电路和保护方法 - Google Patents
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Abstract
电弧现象是在继电器触点通电的情况下产生的，本发明提供了一种继电器保护电路和保护方法，使继电器的触点发生跳转前输出回路都是断路状态，即在未通电的情况下进行继电器触点动作，避免了继电器在动作时产生电弧，提高了继电器的使用寿命。本发明不需对继电器本身进行改造，减少了电路改进成本，可移植性好。本发明适用于车载电子系统。
Description
技术领域
本发明属于继电器技术领域，具体涉及一种继电器保护电路和保护方法。
背景技术
继电器是一种电控制器件，具有输入回路(线圈)和输出回路(触点)之间的互动关系。继电器实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
在车载电子系统中，继电器应用广泛，主要用于电机(感性负载)的控制，例如车窗控制器，车门控制器，座椅控制器等。
继电器的触点在动作时容易产生电弧，电弧具有热效应容易导致触点烧蚀粘接，缩短继电器的使用寿命，并且产生电弧的过程中会对外进行电磁辐射，对周围的设备产生干扰。因此，在电路设计时，必须增加触点的保护，提高继电器的使用寿命。
继电器的触点材料很大程度上决定了继电器的使用寿命。现有的保护方法有将继电器触点材料采用AgNi、AgPb等高熔点合金材料，可以增强触点的耐电弧腐蚀能力；或者在继电器的负载端并联二极管或压敏电阻等保护装置，但二极管或压敏电阻等保护装置和负载有一定的距离限制，如果两者隔得太远，保护装置的效果可能会减弱。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种继电器保护电路和保护方法，用于避免继电器在动作时产生电弧。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种继电器保护电路，其特征在于：包括NPN三极管Q4、PNP三极管Q5、NMOS管Q6、电阻R5～电阻R10；电阻R5的一端连接控制器的控制端口并接收控制信号MCU_ON，电阻R5的另一端连接NPN三极管Q4的基极；电阻R6串联在NPN三极管Q4的基极与电源地之间；NPN三极管Q4的发射极连接电源地；NPN三极管Q4的集电极通过电阻R7串联PNP三极管Q5的基极；电阻R8并联在PNP三极管Q5的基极与发射极之间；PNP三极管Q5的发射极连接电源；PNP三极管Q5的集电极通过电阻R9串联NMOS管Q6的栅极；电阻R10串联在NMOS管Q6的栅极与电源地之间；NMOS管Q6的漏极连接继电器的常闭触点；NMOS管Q6的源极连接电源地；NPN三极管Q4、电阻R5、电阻R6用于控制PNP三极管Q5的导通；PNP三极管Q5、电阻R7～电阻R10用于控制NMOS管Q6的导通；NMOS管Q6用于控制继电器的输出回路的通断。
按上述方案，还包括采样电阻R11串联在NMOS管Q6的源极与电源地之间；NMOS管Q6的源极连接控制器的采样端口。
一种继电器保护方法，包括以下步骤：
S1：当控制信号MCU_ON为低电平时，NPN三极管Q4，PNP三极管Q5，NMOS管Q6相继断开；
S2：当控制信号MCU_ON为高电平时，NPN三极管Q4，PNP三极管Q5，NMOS管Q6相继导通。
进一步的，所述的步骤S1中，具体步骤为：
S11：当控制信号MCU_ON为低电平时，电阻R5、电阻R6分压之后的电压为零，NPN三极管Q4的基极电压为零，NPN三极管Q4的发射极电压也为零，基极-发射极电压为零且小于导通电压，不满足NPN三极管的导通条件，NPN三极管Q4不导通；
S12：NPN三极管Q4不导通，电阻R7的一端断开，PNP三极管Q5的发射极接到电源，基极通过电阻R8上拉到电源，此时PNP三极管Q5的基极电压和发射极电压均为电源电压，基极-发射极电压为零且大于导通电压，不满足PNP三极管的导通条件，PNP三极管Q5不导通；
S13：PNP三极管Q5不导通，电压R9、电压R10与电源之间断开，导致NMOS管Q6的栅极电压为零，源极电压也为零，栅极-源极电压为零且小于导通电压，不满足NMOS管的导通条件，NMOS管Q6不导通。
进一步的，所述的步骤S2中，具体步骤为：
S21：当控制信号MCU_ON为高电平时，电阻R5、电阻R6分压之后的电压为NPN三极管Q4的基极电压，NPN三极管Q4发射极电压等于零，基极-发射极电压大于导通电压，满足NPN三极管的导通条件，NPN三极管Q4导通；
S22：NPN三极管Q4导通，电阻R7的一端接地，PNP三极管Q5的发射极接到电源，基极通过电阻R7、电阻R8分压，PNP三极管Q5的基极电压小于电源，发射极电压等于电源，基极-发射极电压大于导通电压，满足PNP三极管的导通条件，PNP三极管Q5导通；
S23：PNP三极管Q5导通，电阻R9、电阻R10的分压电压为NMOS管Q6的栅极电压，源极电压为零，栅极-源极电压大于导通电压，满足NMOS管的导通条件，NMOS管Q6导通。
进一步的，还包括以下步骤：
S3：当NMOS管Q6导通时，回路中的电流信号通过电阻R11转变为电压采样信号MCU_ADC，经过采样端口发给控制器以检测回路电流是否正常；
若回路电流异常，则电压采样信号MCU_ADC的值也发生异常，控制器将控制信号MCU_ON变为低电平，断开NPN三极管Q4、PNP三极管Q5、NMOS管Q6保护继电器。
一种计算机存储介质，其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行一种继电器保护方法。
本发明的有益效果为：
1.电弧现象是在继电器触点通电的情况下产生的，本发明的一种继电器保护电路和保护方法，使继电器的触点发生跳转前输出回路都是断路状态，即在未通电的情况下进行继电器触点动作，避免了继电器在动作时产生电弧，提高了继电器的使用寿命。
2.本发明不需对继电器本身进行改造，减少了电路改进成本，可移植性好。
3.本发明适用于车载电子系统。
附图说明
图1是本发明实施例的继电器的原理图。
图2是本发明实施例的车窗控制器的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，本发明实施例采用双胞继电器(两个继电器封装在一起)，继电器一包括线圈1和2，触点4和5，触点开关3；继电器二包括线圈6和7，触点9和10，触点开关8。以继电器一为例，这是一个常闭触点，默认状态下触点开关3和触点5导通。当线圈1和2通电之后，触点开关3发生跳转，与触点4导通，当线圈1和2断电之后，触点开关3发生跳转，与触点5导通回到默认状态。继电器二的原理和继电器一的原理一致。因此通过控制线圈导通就可以控制触点跳转(吸合或断开)；线圈为小电流，触点回路为大电流，实现电气隔离下的小电流控制大电流功能。
如图2所示，车载电子系统中的车窗控制器通过继电器控制电机正向和反向运转，实现车窗的上升和下降。整个系统包括A、B、C、D四个部分，A为系统控制回路，B为继电器输入回路，C为继电器输出回路，D为本发明实施例的继电器保护电路。
A部分系统控制回路：整车电源通过LDO(电源芯片)给MCU(主芯片)供电。
外部按键S1和S2，继电器线圈控制输出信号MCU_1和MCU_2，保护回路控制输出信号MCU_ON，电压采样输入信号MCU_ADC。
B部分继电器输入回路：标识①和③分别为线圈1和2的控制信号，标识②和④分别为继电器1和2的线圈。
继电器一：NPN三极管Q1和电阻R1、R2组成控制回路，D1为线圈1的续流保护二极管。当MCU(主芯片)输入MCU_1为高电平时，Q1导通，继电器线圈1导通。
同理，继电器二：NPN三极管Q2和电阻R3、R4组成控制回路，D2为线圈2的续流保护二极管，当MCU(主芯片)输入MCU_2为高电平时，Q2导通，继电器线圈2导通。
C部分继电器输出回路：标识⑤和⑥为继电器的触点，标识⑦为负载-电机。
继电器一：默认状态下，触点开关3和触点5接通；当继电器输入回路中的线圈1导通时，触点开关3发生跳转，触点开关3和触点5断开，和触点4接通。
同理，继电器二：默认状态下，触点开关8和触点10接通；当继电器输入回路中的线圈2导通时，触点开关8发生跳转，触点开关8和触点10断开，和触点9接通。
二极管D3和电容C1为负载-电机的保护电路。
D部分继电器保护电路：标识⑧为保护回路的控制信号，标识⑨为MOS管Q6，相当于一个开关，标识⑩为继电器保护电路的电压采样信号。
NPN三极管Q4，R5，R6控制PNP三极管Q5的导通；R7，R8，Q5，R9，R10控制NMOS管Q6的导通；Q6作用相当于一个开关；R11为采样电阻。
i).默认状态下，当MCU(主芯片)输入MCU_ON为低电平时，R5，R6分压之后的电压为零，即三极管Q4的基极电压等于零，三极管发射极电压也等于零，基极-发射极电压为零小于导通电压，不满足NPN三极管导通条件，三极管Q4不导通；
三极管Q4不导通，R7一端断开，三极管Q5的发射极接到电源V4，基极通过R8上拉到电源V4，此时Q5的基极电压和发射极电压均为V4，基极-发射极电压为零大于导通电压，不满足PNP三极管导通条件，三极管Q5不导通；
三极管Q5不导通，R9，R10和V4之间断开，这样导致NMOS管Q6的栅极电压为零，源极电压也为零，栅极-源极电压为零小于导通电压，不满足NMOS管导通条件，NMOS管Q6不导通。
ii).当MCU(主芯片)输入MCU_ON为高电平时，R5，R6分压之后的电压为三极管Q4的基极电压，三极管Q4发射极电压等于零，基极-发射极电压为大于导通电压，满足NPN三极管导通条件，三极管Q4导通；
三极管Q4导通，R7一端相当于接地，三极管Q5的发射极接到电源V4,基极通过R7，R8分压，此时Q5的基极电压小于V4，发射极电压等于V4,基极-发射极电压小于导通电压，满足PNP三极管导通条件，三极管Q5导通；
三极管Q5导通，R9，R10的分压电压为NMOS管Q6的栅极电压，源极电压为零，栅极-源极电压大于导通电压，满足NMOS管导通条件，NMOS管Q6导通。
iii).R11为采样电阻，当Q6导通时，回路中的电流信号通过R11转变为电压采样信号，经过MCU_ADC网络发给MCU(主芯片)，检测回路电流是否正常；
若回路电流异常，则MCU_ADC的值也发生异常，MCU(主芯片)控制MCU_ON为低电平，断开Q4，Q5，Q6，断开回路起到保护作用。
本发明实施例应用在车窗控制器中的工作流程为：
假设按键信号S1、控制信号MCU_1是车窗上升控制命令；按键信号S2、控制信号MCU_2是车窗下降控制命令。默认状态下：整车电源通过LDO(电源芯片)给MCU(主芯片)供电，MCU(主芯片)正常工作；MCU_1，MCU_2，MCU_ON为低电平，Q1，Q2，Q4，Q5，Q6均不导通；继电器一触点开关3和5接通，继电器二触点开关8和10接通。
以车窗上升为例：
(1)按下按键S1，MCU收到车窗上升命令，此时检测到MCU_ON为低电平，Q6不导通，输出回路断路，发出MCU_1高电平信号。
(2)Q1导通，继电器1线圈导通，触点开关3发生跳转，触点开关3和4导通，保持MCU_1高电平不变，使得3和4持续导通；
(3)然后发出MCU_ON高电平信号，使得Q4，Q5，Q6相继导通，这个时候输出回路(电压V3-触点3和4-电机-Q6-R11-地)导通，电机正转，车窗玻璃上升-功能实现。
(4)当松开按键S1，MCU收到车窗上升停止命令，此时检测到MCU_ON为高电平，发出MCU_ON低电平信号，Q4，Q5，Q6断开，输出回路断路，电机停止运转。
(5)随后发出MCU_1低电平信号，Q1不导通，继电器1线圈不导通，触点开关3发生跳转回到默认状态，触点开关3和5导通。
(6)如(3)所说，当输出回路导通时，回路电流信号经R11转换电压采样信号，MCU(主芯片)通过检测MCU_ADC的电压可以检测整个回路的电流是否正常。如果回路出现异常例如短路，这个时候电流急剧变大，MCU_ADC电压采样信号变大，MCU检测到异常，随后发出MCU_ON为低电平信号，致使Q4，Q5，Q6不导通，输出回路断路，电机停止运转，从而保护负载及相应回路。
(7)同理，车窗下降：当按键信号S2按下，先检测MCU_ON为低电平，Q6不导通，输出回路断路。发出MCU_2高电平信号，Q2导通，继电器2线圈导通，触点8跳转后和触点9接通，保持此状态。发出MCU_ON为高电平，Q6导通，输出回路(电压V3-触点8和9-电机-Q6-R11-地)导通，电机反转，车窗玻璃下降-功能实现。
当按键信号S2松开，MCU收到车窗上升停止命令，此时检测到MCU_ON为高电平，发出MCU_ON低电平信号，Q4，Q5，Q6断开，输出回路断路，电机停止运转。随后发出MCU_2低电平信号，Q2不导通，继电器2线圈不导通，触点开关8发生跳转回到默认状态，触点开关8和10导通。
由步骤(1)至(2)、(4)至(5)可见，在继电器的触点发生跳转前，输出回路都是断路状态，即在未通电的情况下进行继电器触点动作，从而避免了电弧现象，提高了继电器的使用寿命。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种继电器保护电路，其特征在于：包括NPN三极管Q4、PNP三极管Q5、NMOS管Q6、电阻R5～电阻R10；
电阻R5的一端连接控制器的控制端口并接收控制信号MCU_ON，电阻R5的另一端连接NPN三极管Q4的基极；
电阻R6串联在NPN三极管Q4的基极与电源地之间；
NPN三极管Q4的发射极连接电源地；
NPN三极管Q4的集电极通过电阻R7串联PNP三极管Q5的基极；
电阻R8并联在PNP三极管Q5的基极与发射极之间；
PNP三极管Q5的发射极连接电源；
PNP三极管Q5的集电极通过电阻R9串联NMOS管Q6的栅极；
电阻R10串联在NMOS管Q6的栅极与电源地之间；
NMOS管Q6的漏极连接继电器的常闭触点；
NMOS管Q6的源极连接电源地；
NPN三极管Q4、电阻R5、电阻R6用于控制PNP三极管Q5的导通；
PNP三极管Q5、电阻R7～电阻R10用于控制NMOS管Q6的导通；
NMOS管Q6用于控制继电器的输出回路的通断。
2.根据权利要求1所述的一种继电器保护电路，其特征在于：还包括采样电阻R11串联在NMOS管Q6的源极与电源地之间；NMOS管Q6的源极连接控制器的采样端口。
3.基于权利要求1至2中任意一项所述的一种继电器保护电路的保护方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：当控制信号MCU_ON为低电平时，NPN三极管Q4，PNP三极管Q5，NMOS管Q6相继断开；
S2：当控制信号MCU_ON为高电平时，NPN三极管Q4，PNP三极管Q5，NMOS管Q6相继导通。
4.根据权利要求3所述的保护方法，其特征在于：所述的步骤S1中，具体步骤为：
S11：当控制信号MCU_ON为低电平时，电阻R5、电阻R6分压之后的电压为零，NPN三极管Q4的基极电压为零，NPN三极管Q4的发射极电压也为零，基极-发射极电压为零且小于导通电压，不满足NPN三极管的导通条件，NPN三极管Q4不导通；
S12：NPN三极管Q4不导通，电阻R7的一端断开，PNP三极管Q5的发射极接到电源，基极通过电阻R8上拉到电源，此时PNP三极管Q5的基极电压和发射极电压均为电源电压，基极-发射极电压为零且大于导通电压，不满足PNP三极管的导通条件，PNP三极管Q5不导通；
S13：PNP三极管Q5不导通，电压R9、电压R10与电源之间断开，导致NMOS管Q6的栅极电压为零，源极电压也为零，栅极-源极电压为零且小于导通电压，不满足NMOS管的导通条件，NMOS管Q6不导通。
5.根据权利要求3所述的保护方法，其特征在于：所述的步骤S2中，具体步骤为：
S21：当控制信号MCU_ON为高电平时，电阻R5、电阻R6分压之后的电压为NPN三极管Q4的基极电压，NPN三极管Q4发射极电压等于零，基极-发射极电压大于导通电压，满足NPN三极管的导通条件，NPN三极管Q4导通；
S22：NPN三极管Q4导通，电阻R7的一端接地，PNP三极管Q5的发射极接到电源，基极通过电阻R7、电阻R8分压，PNP三极管Q5的基极电压小于电源，发射极电压等于电源，基极-发射极电压大于导通电压，满足PNP三极管的导通条件，PNP三极管Q5导通；
S23：PNP三极管Q5导通，电阻R9、电阻R10的分压电压为NMOS管Q6的栅极电压，源极电压为零，栅极-源极电压大于导通电压，满足NMOS管的导通条件，NMOS管Q6导通。
6.根据权利要求3所述的保护方法，其特征在于：还包括以下步骤：
S3：当NMOS管Q6导通时，回路中的电流信号通过电阻R11转变为电压采样信号MCU_ADC，经过采样端口发给控制器以检测回路电流是否正常；
若回路电流异常，则电压采样信号MCU_ADC的值也发生异常，控制器将控制信号MCU_ON变为低电平，断开NPN三极管Q4、PNP三极管Q5、NMOS管Q6保护继电器。
7.一种计算机存储介质，其特征在于：其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求3至权利要求6中任意一项所述的保护方法。
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