CN114039330A - 一种极高可靠性中间继电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极高可靠性中间继电器电路原理，包括宽电压低功耗电源电路，抗交流检波，信号采样、整形、滤波和启动电路，继电器恒流动作控制电路和启动功率不小于5W假负载限流切换电路。所述电路采用低功耗CMOS逻辑器件和大功率NMOS功率器件，具有主动吸收干扰，不误动也不拒动的抗外部干扰高可靠特性及电源输入电压较低时保证可靠动作，输入电压极高时保证不烧毁和过度发热的自身高可靠优点。本发明解决了常规中间继电器在某些特定场合下会性能降低或拒动和误动的弊端，最大限度的保证了中间继电器在常规和超常规条件下正确动作性能，极大的提高了中间继电器可靠性。特别适用于电力、化工、轨交车辆、船舶、军工、航天等领域关键高价值电气设备配套，应用前景广阔。

Description

一种极高可靠性中间继电器

技术领域

本发明涉及继电器技术领域，具体涉及一种具备极高可靠特性中间继电器。

背景技术

中间继电器在电气控制系统中作为一个中间元件常用来扩展触点能力和数量，是典型的有无类继电器，由于它起一个扩展触点能力和数量的中间作用，所以对它的基本要求就是尽可能跟随驱动信号的有无而动作释放（有信号尽可能快的动作，无信号尽可能快的释放）。

中间继电器应用广泛，在电力、轨交车辆、化工、船舶、军工装备等领域，因使用环境复杂，中间继电器误动或拒动将导致人身和设备安全或重大财产损失，因此对中间继电器的动作可靠性要求极高，下面列举几个典型应用场景来说明对中间继电器的可靠性需求。

场景一、中间继电器使用在500kV甚至更高电压等级的变电站，作为主变温度或瓦斯信号的扩展信号直接作用于跳主变各侧开关。由于主变的温度或瓦斯是主变本体信号，也就是说在室外和主变压器一体，而跳闸控制放在控制室，两者相距几十米远，那么必然的需要引几十米的导线到主控室，而且所引控制电缆里面不仅仅是这几根信号线，还有其它交流控制电源和一些其它信号线，长线路的电缆引线必然产生线缆间的分布电容，分布电容会将交流信号或电源耦合到其它回路，具体能耦合多少看分布电容的参数。在使用原来普通中间继电器的时候会发现个奇怪现象，只要一打雷主变各侧开关会自动跳开，检查信号的来源总是瓦斯或温度本体保护跳闸，但是检查变压器瓦斯压力也正常，本体温度也不高，并无故障产生。最后发现原来是打雷在导线上产生感应电压干扰，导致去跳闸的中间继电器误动作了！ 一般情况下500kV的变电站服务于一个中小型城市的所有供电，简单来说因为这个误动，一个中型或小型城市停电了，其经济损失是不可估量的！明显普通的中间继电器可靠性在这种场景下不足以满足其对可靠性的要求，应该有一种能够在这种情况下不误动极高可靠性的中间继电器来满足现场需求。

场景二、同样还是一个大型变电站，为了保证供电的可靠性，每年都有检修计划，一般来说把备用线路投上，检修电路退出运行来检修。检修人员忙碌的工作，免不了量量这里，测测那里，拧拧这里，拆拆那里，期间难免人为误操作造成直流控制电源误接了下地或者交流小母线与直流小母线误碰了一下，其结果是整站的主变开关又都跳闸了，整个城市停电；同样报出来的还是某些个中间继电器误动作了！同理，在这种极端重要的场合，普通的中间继电器可靠性不能满足要求，需要有一种更高可靠性的中间继电器防止这种情况的发生。

场景三、轨交动车组或地铁配电设备中上大量使用中间继电器来发信号，以使列车及时发出必要信号让高速列车安全运行。但是，装在列车上的中间继电器容易坏，故障率高，究其原因竟然是由于车载电压不稳定，其控制电压会在较大范围内波动极易造成一般中间继电器误动作或长时间过压，导致发热烧毁，有极大的安全隐患，明显的需要有一种可靠性更高的中间继电器来满足这种需求。

场景四、船舶上的供电一般是由船载发电机提供，由于稳定性差同样会造成控制电源波动很大，同样的在比较重要的场合，普通中间继电器误动作或损坏的情况也时有发生，需要高可靠性的中间继电器来满足持续安全稳定控制。

如上所述，凡是场景特殊，控制对象又极其重要的应用场合，对中间继电器必然有不误动、不拒动和能长期工作寿命长的高可靠性要求。

现有技术，采用大功率电阻和继电器常闭触点串联，再与中间继电器电源端并联，并进行触点重动的方式，其原理是在继电器不动作时通过大电阻吸收干扰电压，并在动作后通过串接的触点切除电阻，同时再重动出口继电器，虽然起到了一定的抗干扰的作用，但存在触点切换电阻速度慢，重动出口整体动作时间长的不足之处。关键的不足是，现有技术中间继电器的线圈电压内部无稳压或恒流措施，在电源电压波动到额定电压的1.2倍及以上时，线圈发热严重，时间一长就会过压烧毁；另外当中间继电器工作在电源电压的70%~85%范围时，线圈存在吸合力不足，动作时间变长，动作不干脆的问题。因此，现有技术虽然能解决一些实际应用的干扰问题，但自身可靠性仍存在明显的不足之处。

发明内容

本发明的目的：在于克服现有技术的缺陷，提供一种具有极高可靠特性的中间继电器电路原理，解决在极重要的场合下中间继电器既不拒动也不误动，同时在超宽的供电范围内既不降低动作性能又不因长期过压而烧毁的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种具有极高可靠特性的中间继电器电路原理，其特征在于：包括防反和检波电路；以极低静态功耗CMOS施密特输入非门为核心器件，实现的宽电压低功耗电源和极低功耗宽电压工作范围的信号采样、整形、滤波和启动电路；以高压大功率NMOS器件设计实现的，具有保证继电器在宽电压范围时动作特性不变和不损坏继电器的恒流驱动电路；以高压大功率NMOS器件设计的具有限流作用的启动功率不小于5W的假负载驱动电路。

进一步，所述防反和检波电路，主要作用是防止输入电源的直流电压接反，造成中间继电器损坏或误动。同时它还可以起到半波整流的作用，将错误输入的交流信号或耦合进来的交流干扰进行半波整流，这样由于负半波总是不被导通，更易获得易识别的干扰波形。

进一步，所述以极低静态功耗CMOS施密特输入非门为核心器件，实现的宽电压低功耗电源，主要作用是在额定电压50%-200%的宽范围内，给CMOS施密特输入非门芯片提供一个稳定的芯片电源，满足在电源输入电压较低时保证可靠工作，在电源输入电压极高时不烧毁和过度发热。

进一步，所述以极低静态功耗CMOS施密特输入非门为核心器件，实现的极低功耗宽电压工作范围的信号采样、整形、滤波和启动电路，主要作用是能对电源输入的电压信号进行采样、整形、滤波和启动。若输入电压未达到中间继电器动作值，则启动假负载电路，可靠闭锁继电器电路不动作，防止误动；若输入电压达到中间继电器动作值，则启动继电器电路，可靠闭锁假负载电路不动作，防止正常工作时发热。

所述以极低静态功耗的CMOS施密特输入非门为核心器件实现的宽电压低功耗电源和极低功耗极宽电压工作范围的信号采样、整形、滤波和启动电路，其特征在于，所述极低静态功耗的CMOS施密特输入非门器件其核心参数不超出下表。

核心参数	参数范围	说明	备注
				静态功耗	不大于4μA	标准测试条件下	以实际使用电压为准
逻辑功能	非门
				输入特征	具备施密特滞回比较特性
输入电流	不大于0.1μA

由于使用了满足上表核心参数的逻辑器件，则可以方便的实现低功耗宽电压的串联稳压电路来满足其电源供电要求；由于使用了满足上表核心参数的逻辑器件，亦可方便的实现低功耗宽电压范围的串联检波电路，且由于其自带的施密特输入特性，天然的具备一定的抗干扰功能，使后级输出的标准电平脉冲宽度更准确；由于使用了满足上表核心参数的逻辑器件，获得了宽电压工作下稳定的电平电压和准确的信号特征，这让后续进行可量化的充放电抗干扰设计变的可控和可靠，可以方便的实现抗交流的信号处理逻辑；由于使用了满足上表核心参数的逻辑器件，使得其最后可以输出一个标准电压的驱动电平来驱动后级电路。

进一步，所述以高压大功率NMOS器件设计实现的，具有在宽电压范围时保证继电器动作特性不变和不损坏继电器的恒流驱动电路，其特征在于：首先NMOS是压控器件，可以在几乎不耗费逻辑控制回路稳压电源电流的条件下被驱动，保证了产品整体在宽电压范围工作时逻辑控制稳压电源回路的低功耗特性；其次，由于NMOS压控三极管的工作特性，可以方便的设计出恒流控制电路，让被控制对象工作特性稳定，同时可以通过标准电平快速可控的恒流接通和关断控制对象；第三，由于NMOS大功率可控器件特性，使其可以承担由于电压过高而产生的额外的功率消耗而不损坏，将原本的固定电阻开关控制模式升级到了可变电阻恒流开断控制的新模式，极大的提高了电路的安全性和被控器件动作的一致性，从而实现在70%-200%额定电压输入时，串联在该回路上的输出继电器线圈电压始终保持在额定电压，避免了现有技术额定电压低中间继电器动作吸力小、动作时间不稳定、抗振动能力差和额定电压过高容易烧毁继电器线圈损坏的弊端。

进一步，所述以高压大功率NMOS器件设计的具有限流作用的启动功率不小于5W的假负载驱动电路，其特征在于：首先NMOS是压控器件，可以在几乎不耗费逻辑控制回路稳压电源电流的条件下被驱动，保证了产品整体在宽电压范围工作时逻辑控制稳压电源回路的低功耗特性；其次，由于NMOS压控三极管的工作特性，可以方便的设计出恒流控制电路，让被控制对象工作特性稳定，同时可以通过标准电平快速可控的恒流接通和关断控制对象；第三，由于NMOS大功率可控器件特性，使其可以承担由于电压过高而产生的额外的功率消耗而不损坏，将原本的固定电阻开关控制模式升级到了可变电阻恒流开断控制的新模式，极大的提高了电路的安全性和被控器件动作的一致性。

启动功率不小于5W的假负载切换电路是利用非门器件动作逻辑的清晰性和快速性，在继电器触点动作前投入一个大功率假负载，以有效降低由分布电容产生的交流分量，主动吸收交流干扰保障继电器不被误启动，同时继电器触点动作后及时切除，降低正常工作时中间继电器功耗，避免中间继电器过热失效。

本发明的有益效果：本发明一种极高可靠性中间继电器，以极低静态功耗的CMOS施密特输入非门和高压大功率NMOS为核心器件，实现的宽电压低功耗电源和极低功耗极宽电压工作范围的信号采样、整形、滤波、启动和驱动电路，原理新颖、实施方便、具备极高可靠性，解决了现有技术无法保障中间继电器自身可靠性的不足之处。本发明即能实现在线路有感应电压、人为误操作、电源不稳定等干扰情况下中间继电器即不拒动也不误动，备具抗干扰能力；又能实现在70%~200%的供电电压范围内中间继电器既不降低动作性能又不因长期过压而烧毁，极大提高了自身可靠性。

附图说明

图1为由本发明一种极高可靠性中间继电器电路的原理示意图。

图2为本发明以极低静态功耗的CMOS施密特输入非门为核心器件实现的宽电压低功耗电源和极低功耗极宽电压工作范围的信号采样、整形、滤波和启动电路（图1中的Ⅰ部分详细图）。

图3为本发明以高压大功率NMOS器件设计保证继电器在宽电压范围时动作特性不变和不损坏继电器的继电器恒流驱动电路（图1中的Ⅱ部分详细图）。

图4为本发明以高压大功率NMOS器件设计的具有限流作用的启动功率不小于5W的假负载驱动电路（图1中的Ⅲ部分详细图）。

图2-4中电路元件功能、输入及输出关系，说明如下。

A1-A2为电源输入。

11-12-14~51-52-54为继电器触点输出。

R2为充电限流电阻，它在继电器内部，其主要作用是上电瞬间限制C1的充电电流。

C1为平波储能电容，它在继电器内部，其主要作用是外部供电电压纹波较大时，由它来平波和储能，从而在外部供电电压纹波较大时获得一个相对稳定的直流。

D1、D2两个二极管为防反二极管，它在继电器内部，其主要作用是防止外部直流接反损坏产品或让产品误动，同时它还可以起到半波整流的作用，将错误输入的交流信号或耦合进来的交流干扰进行半波整流，这样由于负半波总是不被导通，更易获得易识别的干扰波形，具体详见检波取样电路部分的说明。

D3为隔离二极管，它在继电器内部，其主要作用是隔离电源与采样部分，让C1电容的平波效果不影响采样波形，输出为Ud。

R5、R6、R7、R9、D11和C2组成一个串联稳压电路，它在继电器内部，其主要作用是给U2逻辑芯片提供一个稳定的芯片电源VDD。

R8、R1、R3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10和R4组成一个串联分压取样电路，它在继电器内部，其主要作用是给U2逻辑芯片提供一个幅值合适的输入电压的实际波形。

U2A是逻辑芯片U2的其中一组施密特输入非门，U2在继电器内部，其主要作用是对采样波形进行检波和变换，变换成标准的逻辑高低电平，当有干扰波形时，其输出会产生脉宽不等的低电平脉冲，脉冲宽度代表着干扰水平。

D13、R10和C3组成一个瞬时充电按RC常数放电的积分电路，它在继电器内部，其主要是对U2A输出的干扰低电平脉冲宽度进行计时，可以方便的控制抗干扰的水平，其输出电平接入别外一组U2B的施密特输入非门的输入端。

U2B是逻辑芯片U2的另一组施密特输入非门，U2在继电器内部，其输入监视C3两端电压，由其施密特输入比较特性可以方便得设计出C3放电导致输出电平翻转的时间，它输出标准的逻辑电平（如附件图2中OUT_RELAY），以驱动后级的压控功率三极管器件Q1。

R14、Q3、R13、R11和Q1组成一个高电平恒流导通，低电平关断的压控功率三极管开关回路，它在继电器内部，可以通过调整R11取样电阻的值来方便的设计出需要的导通恒流值。

U2C是逻辑芯片U2的其中一组施密特输入非门，U2在继电器内部，其主要作用是对U2B的动作电平信号取反（如附件图2中OUT_5W），以驱动另一组压控功率三极管器件Q2。

R16、Q4、R15、R12和Q2组成一个高电平恒流导通，低电平关断的压控功率三极管开关回路，它在继电器内部，可以通过调整R12取样电阻的值来方便的设计出需要的导通恒流值。

K1、K2、K3、K4和K5是小型密封继电器，它们在产品内部，通过串联方式保证其流过的电流是一致的，它们被Q1压控功率三极管控制动作和释放。

R17、R18、R19、R20和R21是功率电阻（假负载），它们在产品内部，通过串联方式保证其流过的电流是一致的，它们被Q2压控功率三极管控制投入和切除。

具体实施方式

以下结合附图1-4给出的实施例，进一步说明本发明的一种极高可靠性中间继电器电路原理的具体实施方式。本发明的一种极高可靠性中间继电器电路原理不限于以下实施例的描述。

为了演算和证明的方便，本发明一种极高可靠性中间继电器电路原理实施例以电力应用场景，额定电压为直流220V中间继电器为例，通过针对性的说明和演算证明其可行性。

下面结合附图对本发明实施例可行性作进一步说明。

如图2所示，所述R5、R6、R7、R9、D11和C2组成的串联稳压电路，其稳压电压10V专供给U2逻辑芯片使用，U2所有的非门电路，电路中有可能出现的稳态电流消耗为：10V/221K=45μA(U2B输出高电平且Q3完全导通或U2C输出高电平且Q4完全导通，但两种情况不可能同时存在)，电路中有可能出现的瞬时电流主要是当U2A为高且C3两端无电压时，会有一个瞬时的充电电流，这个由于稳压电源的旁路滤波电容C2比充电电容C3高一个量级，因此这个电流是暂态且影响不大的，折算成平均电流按5μA算，另外再加上U2本身的静态电流（所有引脚悬空时芯片的供电电流）不超过4μA，那么其最大的消耗电流为：45+5+4=54μA，理论上来讲，由R5、R6、R7、R9、D11和C2组成的串联稳压电路当其击穿电流大于54μA时，其提供的10V稳压就可以稳得住，那么返算回来，D11=10V，R5=R6=R7=R9=68K，则有68K*4*0.054mA+10V=24.7V，也即当外部输入电压大于24.7V时该串联稳压电路就可以提供稳定工作的10V电源；而实施例产品要求50%-200%的额定电压时能正常控制，下限为220V*50%=110V，其设计绰绰有余；低端保证了，再来看最高电压时的功耗，当外部输入电压为200%的额定电压时，稳压电路两端的电压为220V*200%=440V，此时流过串联稳压回路的电流为(440-10)/(68*4)=1.58mA，那么此时串联稳压电路的功耗为440*1.58=696mW=0.696W；明显的在中间继电器输入电压上限时这个功率是可接受的！综上计算和推导，由于使用了满足极低静态功耗的CMOS施密特输入非门逻辑器件，则可以方便的实现低功耗宽电压的串联稳压电路来满足其电源供电要求，所述施密特输入非门器件的核心参数，推荐典型值不超过：静态功耗不大于4μA，逻辑功能为非门，输入特征具备施密特滞回比较特性，输入电流不大于0.1μA。

如图2所示，所述R8、R1、R3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10和R4组成一个串联分压取样电路，由于高可靠性应用（如电力应用）对中间继电器的动作电压有不大于额定电压的70%和不动作电压不小于额定电压的55%的要求，所以图中D4、D5、D6、D7、D8、D9是为满足此要求而设计，由于D4=D5=D6=D7=D8=D9=24V，所以其串联稳压值为24*6=144V，也即当中间继电器输入电压幅值低于144V时采样回路不通，采样电阻R4上没有电流，其两端电压为零伏；当中间继电器输入电压幅值高于144V，由于R8、R1、R3的限流作用，采样电阻R4上开始出现电流，其两端电压将开始上升；由于U2A输入为施密特比较器性质，当其电压从零伏开始上升达到其供电电压的70%时其输出由高变低，当电压从高于70%额定电压下降达到其额定电压的30%时其输出由低变高；按上面条件则有，当R4两端电压为7V时U2A输出电平变低，此时回路中电流为：7V/700K=0.01mA=10μA，又由于R8=R1=R3=100K，所以此时在这三个串联电阻上的压降为：100*3*0.01=3V，那么这时采样回路上的总电压为：144+7+3=154V，同理当R4两端电压为3V时U2A输出电平变高，此时回路中电流为：3V/700K=0.0043mA=4.3μA，又由于R8=R1=R3=100K，所以此时在这三个串联电阻上的压降为：100*3*0.0043=1.29V，那么这时采样回路上的总电压为：144+3+1.29=148.29V；上述两个计算电压的意义为大于等于154V肯定动作，小于等于148.29V肯定不动，所以满足了电力中间继电器最小动作电压不大于额定电压的70%，最小不动作电压不小于额定电压55%的要求，因为154/220=70%，148.29/220=67.4%，同时动作值和返回值之间有大概6V的回差，会避免继电器在临界动作点测试时的抖动现象。另外注意D10这个10V稳压管的作用，因为U2A输入电压不能超过其电源电压（10V），所以D10起一个限幅保护的作用，以免外部输入电压过高时R4采样电阻两端电压过高而损坏U2A。这部分电路再来验算一下200%额定电压时回路总功耗，220*200%=440V，回路中电流为(440-144-10)/(100*3)=0.953mA，此时该回路功耗为440*0.953=420mW=0.42W；明显的在产品电压上限时这个功率是可接受的！这里还要说明一点，所述U2A的输入电流（或者输入阻抗）不能太大至少要比以上计算所涉及的最小的4.3μA小10倍以上，由此产生的误差可以通过调整R4采样电阻的阻值来补偿，否则该低功耗设计有可能不成功。综上计算和推导，所述由于使用了满足上表核心参数的逻辑器件，亦可方便的实现低功耗宽电压范围的串联检波电路，且由于其自带的施密特输入特性，天然的具备一定的抗干扰功能，使后级输出的标准电平脉冲宽度更准确。

如图2所示，所述D13、R10和C3组成一个瞬时充电按RC常数放电的积分电路，这个电路接在U2A输出和U2B输入之间，当U2A输出高电平时，D13二极管正向导通，以极低的阻抗向C3充电，其充电时间为us级，可以近似认为瞬时充满，使C3两端的电压稳定在U2供电电压减去D13管压降的电平，即10V-0.5V=9.5V，C3两端电压接入U2B的施密特输入端，明显的9.5V大于U2B输入的施密特上限比较电压70%的U2供电电压即：10V*70%=7V，此状态时U2B非门输出低电平；当U2A输出由高变低时，D13二极管反向截止，C3通过电阻R10放电，因为R10=499K，C3=0.033μF，所以其放电常数为：499*0.033=16.5ms，此时，电压是从9.5V下降到U2B施密特输入比较下限比较电压30%的U2供电电压即：10V*30%=3V，那么C3电容放电下降到3V触发U2B输出电平翻转为高电平的时间大概是17ms左右（阻容电路按放电常数放电，一个单位的放电时间电容两端的电压大概会下降到放电起始值的36%左右，而3V/9.5V=32%）；明显的在放电延时期间，只要U2A又变高，哪怕极短的时间，C3两端电压将瞬时被充满，放电计时将重新开始。从实际应用的的角度来讲本发明的中间继电器是这样实现抗交流干扰的，这里从实际应用层面的交流干扰主要是指中间继电器不动作时，由于雷击、或长引线分布电容感应交流和直流屏供电窜入交流几种（但不限于）情况，反映在电路上表达为U2A不动作时输出常为高电平，当干扰窜入表现为U2A输出瞬时变低，但由于R10和C3放电延时的作用，U2B输出不会马上由低电平变高电平，其U2A低电平的时间必须超过所设计的17ms才会让U2B输出变高，而交流干扰，包括雷击，其周期一般不超过20ms(工频)，也就是至少半周波（10ms）必然会过零一次，也就是说U2A输出低电平不可能超过10ms，这样就实现了干扰来时不可能误触发中间继电器动作，因此实现了抗交流干扰的功能。综上计算和推导及说明，由于使用了满足上表核心参数的逻辑器件，获得了宽电压工作下稳定的电平电压和准确的信号特征，这让后续进行可量化的充放电抗扰设计变的可控和可靠，可以方便的实现抗交流的信号处理逻辑。

如图2所示，所述U2B输出(OUT_RELAY)电平要么是0V，要么是10V，这为后级的压控功率三级管的控制提供了干脆且稳定的不会导致后级电路不工作或损坏的控制信号。

如图3所示，所述R14、Q3、R13、R11和Q1组成一个高电平恒流导通，低电平关断的压控功率三极管开关回路，该回路可以控制K1、K2、K3、K4和K5组成的串联联接的继电器线圈电流。当U2B输出(OUT_RELAY)为低电平（0V）时，压控功率三极管器件Q1会完全关断，继电器回路中没有电流；当U2B输出(OUT_RELAY)为高电平（10V）时，压控功率三极管器件Q1会完全导通，但由于R11、R13和三极管Q3组成的负反馈电路，当R11电阻两端的电压超过Q3三极管基级的导通电压时，三极管Q3进入放大状态，其集电极和射极之间等效为一个可变电阻，这个电阻将会与R14进行分压，让Q1的门极电压变低，从而Q1也进入到放大状态，同样的此时Q1的源极和漏极之间也被等效成一个可变电阻，稳定在某一个电流值上；由于Q3基极导通电压为0.55V，R11电流取样电阻阻值为36欧，因此当R11两端电压超过0.55V时其负反馈成立，所以，整个继电器回路中的电流此时恒定在0.55/36=0.0153A=15.3mA；明显的，假如实施例选取的继电器K1、K2、K3、K4和K5额定工作电流均为15mA左右，由于继电器是串联联接，每个继电器将都工作在额定状态，而不受外部输入电压变化的影响；当然，每个继电器线圈流过的电流不变的话，其功耗也就一定了，但外部电压变高时，整个回路的功耗会升高，那升高的这一部分功耗将被压控功率三极管Q1承担，反算一下当200%额定电压（220V*200%=440V）时，Q1最大会承担多少的功耗，由于K1=K2=K3=K4=K5=30V，也即电流刚好额定（15.3mA）时，每个继电器两端电压均为30V，那么Q1此时源极和漏极两端电压为440-30*5=290V，此时Q1承担的功耗为290*0.0153=4.4W，所以选取足额功率的Q1该电路将成立。再从整机角度来看一下恒流控制对产品可靠性的意义，该原理的电力中间继电器启动电压设计在额定电压的70%（220*70%=154V），当输入为154V时，继电器回路仍能保持额定电流，也即在低电压时，K1、K2、K3、K4和K5继电器能保证最优的动作特性，不会因为外部电压的降低而导致K1、K2、K3、K4和K5继电器动作电流变小导至动作不可靠和吸合后由于电磁铁吸力不足怕振动而释放，同样的，在200%的额定电压（220*200%=440V）时，K1、K2、K3、K4和K5继电器的动作电流还是额定，不会因为外部电压的过高而导致K1、K2、K3、K4和K5继电器动作电流变大导至继电器线圈过流而烧毁损坏！综上计算和推导及说明，以高压大功率NMOS器件设计成的恒流电路实现的继电器在宽电压范围驱动保证其动作特性不变和不损坏的电路，其特征在于：首先，NMOS是压控器件，可以在几乎不耗费逻辑控制回路稳压电源电流的条件下被驱动，保证了产品整体在宽电压范围工作时，逻辑控制稳压电源回路的低功耗特性；其次，由于NMOS压控三极管的工作特性，可以方便的设计出恒流控制电路，让被控制对象工作特性稳定，同时可以通过标准电平快速可控的恒流接通和关断控制对象；第三，由于NMOS大功率可控器件特性，使其可以承担由于电压过高而产生的额外的功率消耗而不损坏，将原本的固定电阻开关控制模式升级到了可变电阻恒流开断控制的新模式，极大的提高了电路的安全性和被控器件动作的一致性。

如图4所示，所述R16、Q4、R15、R12和Q2组成一个高电平恒流导通，低电平关断的压控功率三极管开关回路，该回路可以控制R17、R18、R19、R20和R21组成的串联联接的功率电阻电流。当U2C输出（OUT_5W）为低电平（0V）时，压控功率三极管器件Q2会完全关断，功率电阻回路中没有电流；当U2C输出（OUT_5W）为高电平（10V）时，压控功率三极管器件Q2会完全导通，但由于R15、R12和三极管Q4组成的负反馈电路，当R12电阻两端的电压超过Q4三极管基级的导通电压时，三极管Q4进入放大状态，其集电极和射极之间等效为一个可变电阻，这个电阻将会与R16进行分压，让Q2的门极电压变低，从而Q2也进入到放大状态，同样的此时Q2的源极和漏极之间也被等效成一个可变电阻，稳定在某一个电流值上；由于Q4基极导通电压为0.55V，R12电流取样电阻阻值为15.8欧，因此当R12两端电压超过0.55V时其负反馈成立，所以，整个功率电阻回路中的电流此时恒定在0.55/15.8=0.0348A=34.8mA；明显的，调整R12的阻值就可以精确设定出想要的回路电流。功率电阻的这个假负载回路，主要的作用是满足该电力中间继电器启动功率不小于5W的要求，因为继电器在未被启动以前在外部回路有较大的分布电容时，有可能从其它电缆耦合进来一定幅度的交流电压，如果中间继电器未启动功率很低或接近于零，那么很小的分布电容就可以耦合进来很高的交流电压，这样就增加了误启动中间继电器的可能，因此，电力行业标准要求，这种用于极高可靠场合的继电器要求启动前的功率不小于5W，其实际意义是让中间继电器在未启动前具备一定的功率，流过较大的电流，拉低由分布电容耦合产生的交流电压（其实就是分布电容和中间继电器串联，由于分布电容值相对具体布线是一定值，所以流过回路的电流越大，电容两端分压越多，而作用在中间继电器线圈上的交流电压会越小）；而实施例中间继电器设计的启动电压在额定电压的70%，即220*70%=154V，因此在这个电压点上功率电阻回路将获得最大的功率，此时，功率电阻回路的功耗为154*0.0348=5.36W，因为所取的R17=R18=R19=R20=R21=499欧姆，所以分配到这5个电阻的总功率为0.0348*0.0348*（499*5）=3W，其余的2.36W被Q2承担。由于U2C输出（OUT_5W）与U2B输出（OUT_RELAY）为反逻辑，因此，U2B输出（OUT_RELAY）为低电平（继电器不动）时，U2C输出（OUT_5W）为高电平（功率电阻假负载投入）；当U2B输出（OUT_RELAY）为高电平（继电器动作），U2C输出（OUT_5W）为低电平（功率电阻假负载切除）。这样的话既保证了继电器动作前功率不小于5W，又在继电器动作后自动切除功率电阻，不让继电器在动作时过高功率运行而发热严重！综上计算和推导及说明，以高压大功率NMOS器件设计成的具有限流作用的启动功率大于5W的假负载驱动电路，其特征在于：首先，NMOS是压控器件，可以在几乎不耗费逻辑控制回路稳压电源电流的条件下被驱动，保证了产品整体在宽电压范围工作时，逻辑控制稳压电源回路的低功耗特性；其次，由于NMOS压控三极管的工作特性，可以方便的设计出恒流控制电路，让被控制对象工作特性稳定，同时可以通过标准电平快速可控的恒流接通和关断控制对象；第三，由于NMOS大功率可控器件特性，使其可以承担由于电压过高而产生的额外的功率消耗而不损坏，将原本的固定电阻开关控制模式升级到了可变电阻恒流开断控制的新模式，极大的提高了电路的安全性和被控器件动作的一致性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种极高可靠性中间继电器电路原理，其特征是，包括以极低静态功耗CMOS施密特输入非门为核心器件，实现的宽电压低功耗电源和极低功耗极宽电压工作范围的信号采样、整形、滤波和启动电路；包括以高压大功率NMOS器件设计实现的，具有在宽电压范围时保证继电器动作特性不变和不损坏继电器的恒流驱动电路；包括以高压大功率NMOS器件设计成的具有限流作用的启动功率不小于5W的假负载驱动电路。

2.根据权利要求1所述电路原理三大部分可以有机组合，从而实现不同可靠特征的中间继电器，其中以极低静态功耗的CMOS施密特输入非门为核心器件实现的宽电压低功耗电源和极低功耗极宽电压工作范围的信号采样、整形、滤波和驱动电路可以实现特别为抗（窜入）交流功能的中间继电器；以高压大功率NMOS器件设计成的恒流控制电路可以实现特征为低电压动作不降低动作性能长期过高电压工作亦不降低动作性能且不会损坏的中间继电器；以高压大功率NMOS器件设计成的具有限流作用的启动功率不小于5W的假负载驱动电路其特征为构成具有主动吸收分布电容感应电压干扰的高可靠中间继电器，上述三个特征可以有机组合，实现诸如有抗（窜入）交流宽电压工作不降低性能不损坏的高可靠中间继电器；实现有抗（窜入）交流和主动吸收分布电容感应电压干扰的高可靠中间继电器；实现有宽电压工作不降低性能不损坏和主动吸收分布电容感应电压干扰的高可靠中间继电器；实现有抗（窜入）交流宽电压工作，不降低性能不损坏和主动吸收分布电容感应电压干扰的高可靠中间继电器。

3.根据权利要求1所述的一种极高可靠性中间继电器电路原理中以极低静态功耗的CMOS施密特输入非门为核心器件实现的宽电压低功耗电源和极低功耗极宽电压工作范围的信号采样、整形、滤波和启动电路，其特征在于，所述极低静态功耗的CMOS施密特输入非门器件其核心参数不超出下表：

核心参数 参数范围 说明 备注 静态功耗 不大于4μA 标准测试条件下 以实际使用电压为准 逻辑功能 非门 输入特征 具备施密特滞回比较特性 输入电流 不大于0.1μA

由于使用了满足上表核心参数的逻辑器件，则可以方便的实现低功耗宽电压的串联稳压电路来满足其电源供电要求；

由于使用了满足上表核心参数的逻辑器件，亦可方便的实现低功耗宽电压范围的串联检波电路，且由于其自带的施密特输入特性，天然的具备一定的抗干扰功能，使后级输出的标准电平脉冲宽度更准确；

由于使用了满足上表核心参数的逻辑器件，获得了宽电压工作下稳定的电平电压和准确的信号特征，这让后续进行可量化的充放电抗干扰设计变的可控和可靠，可以方便的实现抗交流的信号处理逻辑；

由于使用了满足上表核心参数的逻辑器件，使得其最后可以输出一个标准电压的驱动电平来驱动后级电路。

4.根据权利要求1所述的一种极高可靠性中间继电器电路原理中以高压大功率NMOS器件设计成的恒流电路实现的继电器在宽电压范围驱动保证其动作特性不变和不损坏的电路，其特征在于：首先，NMOS是压控器件，可以在几乎不耗费逻辑控制回路稳压电源电流的条件下被驱动，保证了产品整体在宽电压范围工作时，逻辑控制稳压电源回路的低功耗特性；

其次，由于NMOS压控三极管的工作特性，可以方便的设计出恒流控制电路，让被控制对象工作特性稳定，同时可以通过标准电平快速可控的恒流接通和关断控制对象；第三，由于NMOS大功率可控器件特性，使其可以承担由于电压过高而产生的额外的功率消耗而不损坏，将原本的固定电阻开关控制模式升级到了可变电阻恒流开断控制的新模式，极大的提高了电路的安全性和被控器件动作的一致性。

5.根据权利要求1所述的一种极高可靠性中间继电器电路原理中以高压大功率NMOS器件设计成的具有限流作用的启动功率不小于5W的假负载驱动电路，其特征在于：首先，NMOS是压控器件，可以在几乎不耗费逻辑控制回路稳压电源电流的条件下被驱动，保证了产品整体在宽电压范围工作时，逻辑控制稳压电源回路的低功耗特性；其次，由于NMOS压控三极管的工作特性，可以方便的设计出恒流控制电路，让被控制对象工作特性稳定，同时可以通过标准电平快速可控的恒流接通和关断控制对象；第三，由于NMOS大功率可控器件特性，使其可以承担由于电压过高而产生的额外的功率消耗而不损坏，将原本的固定电阻开关控制模式升级到了可变电阻恒流开断控制的新模式，极大的提高了电路的安全性和被控器件动作的一致性。

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