CN114334543B - 一种继电器加速驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种继电器加速驱动电路，涉及继电器技术领域。所述继电器加速驱动电路包括：控制单元、开关单元、第一电压抬升单元、第二电压抬升单元以及继电器，继电器包括线圈；第一电压抬升单元分别与开关单元以及线圈的正极连接，第二电压抬升单元分别与所述开关单元以及线圈的负极连接；接收到第一预设信号时，通过第一电压抬升单元抬升线圈的正极的电压，进而加速继电器的导通；接收到第二预设信号时，通过所述第二电压抬升单元抬升线圈的负极的电压，进而加速继电器的断开。通过第一以及第二电压抬升单元，减少了继电器的切换过程所需要的时间，进而保证了在UPS(不间断电源)的状态切换过程中输出负载的正常运行。

Description

一种继电器加速驱动电路

技术领域

本发明涉及继电器技术领域，尤其涉及一种继电器加速驱动电路。

背景技术

在UPS(不间断电源)的状态切换过程中(如输入市电掉电，需要切换成电池供电输出)，需要通过继电器将一个回路切出，然后另外一个继电器将另外一个回路切入。为了保持输出负载不断电，输出间断时间需要小于10ms才可以保证输出负载正常运行。而目前常用的继电器的开通和关断时间即切换过程所使用的时间一般大于10ms，无法有效保证输出负载的正常运行。

现有技术中存在着需要SCR电路(2个反向并联的SCR以及2路SCR驱动电路、SCR保护电路)、继电器和继电器驱动电路，物料多，成本高，占PCB的面积大，控制复杂(需要继电器控制加两路SCR控制)，故障率相对较高，损耗较大。

发明内容

本发明提供了一种继电器加速驱动电路，以解决在UPS(不间断电源)的状态切换过程中输出负载不正常运行的问题。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种继电器加速驱动电路，包括：控制单元、开关单元、第一电压抬升单元、第二电压抬升单元以及继电器，所述继电器包括线圈；所述开关单元与所述控制单元连接，所述第一电压抬升单元分别与所述开关单元以及所述线圈的正极连接，所述第二电压抬升单元分别与所述开关单元以及所述线圈的负极连接；其中，在接收到所述控制单元发送的第一预设信号时，所述开关单元导通，使得所述第一电压抬升单元抬升所述线圈的正极的电压；在接收到所述控制单元发送的第二预设信号时，所述开关单元关断，使得所述第二电压抬升单元抬升所述线圈的负极的电压。

其进一步的技术方案为，所述开关单元包括第一开关管以及第二开关管；所述第一开关管的控制极与所述控制单元连接，所述第一开关管的第一极与所述第二电压抬升单元以及所述第二开关管的控制极连接，所述第一开关管的第二极接地；所述第二开关管的第一极分别与所述第一电压抬升单元连接，所述第二开关管的第二极用于与电压源连接。

其进一步的技术方案为，所述开关单元还包括第一电容；所述第一电容的第一端与所述控制单元连接，且与所述第一开关管的控制极连接，所述第一电容的第二端接地。

其进一步的技术方案为，所述第一电压抬升单元包括第二电容；所述第二电容的第一端与所述线圈的正极以及所述电压源连接，所述第二电容的第二端与所述第二开关管的第一极连接。

其进一步的技术方案为，所述第一电压抬升单元还包括第一电阻，所述第一电阻的第一端分别与所述第二开关管的第一极以及所述第二电容的第二端连接；所述第一电阻的第二端接地。

其进一步的技术方案为，所述第二电压抬升单元包括第三电容；所述第三电容的第一端分别与所述第一开关管的第一极以及所述线圈的负极连接；所述第三电容的第二端接地。

其进一步的技术方案为，所述第二电压抬升单元还包括稳压管，所述稳压管与所述第三电容并联。

其进一步的技术方案为，所述开关单元还包括第一二极管以及第二二极管；所述第一二极管的正极与所述第三电容的第一端连接，所述第一二极管的负极与所述电压源连接；所述第二二极管的正极与所述电压源连接，所述第二二极管的负极分别与所述第二电容的第一端以及所述线圈的正极连接。

其进一步的技术方案为，所述开关单元还包括第二电阻；所述第二电阻的第一端分别与所述第一开关管的第一极以及所述第三电容的第一端连接；所述第二电阻的第二端分别与所述第一二极管的正极以及所述第二开关管的控制极连接。

其进一步的技术方案为，还包括第四电容以及第三电阻；所述第三电阻的第一端与所述电压源连接，所述第三电阻的第二端分别与所述第一二极管的负极、所述第二二极管的正极以及所述第四电容的第一端连接，所述第四电容的第二端接地。

本发明具有的有益效果是：一种继电器加速驱动电路，包括：控制单元、开关单元、第一电压抬升单元、第二电压抬升单元以及继电器，所述继电器包括线圈；所述控制单元与所述开关单元连接，所述第一电压抬升单元分别与所述开关单元以及所述线圈的正极连接，所述第二电压抬升单元分别与所述开关单元以及所述线圈的负极连接；其中，在接收到所述控制单元发送的第一预设信号时，所述开关单元导通，使得所述第一电压抬升单元抬升所述线圈的正极的电压，进而加速继电器的导通。在接收到所述控制单元发送的第二预设信号时，所述开关单元关断，使得所述第二电压抬升单元抬升所述线圈的负极的电压，进而加速继电器的断开。通过所述第一电压抬升单元以及所述第二电压抬升单元，减少了继电器在导通和断开的切换过程所需要的时间，进而保证了在UPS(不间断电源)的状态切换过程中输出负载的正常运行。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种继电器驱动电路的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种继电器驱动电路的实际电路图。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

实施例

参见图1-2，本发明实施例提出一种继电器加速驱动电路，该继电器加速驱动电路包括：控制单元10、开关单元20、第一电压抬升单元30、第二电压抬升单元40以及继电器50，所述继电器50包括线圈。线圈包括正极以及负极，用于驱动继电器导通/关闭。各部件之间的连接关系如下：

所述开关单元20与所述控制单元10连接，所述第一电压抬升单元30分别与所述开关单元20以及所述线圈的正极连接，所述第二电压抬升单元40分别与所述开关单元20以及所述线圈的负极连接。在本发明实施例中，在接收到所述控制单元10发送的第一预设信号时，所述开关单元20导通，使得所述第一电压抬升单元30抬升所述线圈的正极的电压；此时线圈的正极的电压大于线圈的负极的电压，使线圈的正极与线圈的负极之间的电压差被拉大，进而加速继电器50的导通。

另一方面，在接收到所述控制单元10发送的第二预设信号时，所述开关单元20关断，使得所述第二电压抬升单元40抬升所述线圈的负极的电压，所述线圈的正极电压维持不变，使得线圈的正极的电压小于线圈的负极的电压，从而加速继电器50的关断。

通过本发明实施例的技术方案，可以通过加速继电器的导通/关断，减少了继电器在导通和断开的切换过程所需要的时间，进而保证了在UPS(不间断电源)的状态切换过程中输出负载的正常运行。

参见图2，图2是本发明实施例提出一种继电器加速驱动电路的电路图。需要说明的是，在图2中，开关管(第一开关管Q1以及第二开关管Q2)可具体为三极管，开关管的控制极具体为三极管的基极，开关管的第一极具体为三极管的集电极，开关管的第二极具体为三极管的发射极。其中，第一开关管Q1可具体为NPN型三极管，第二开关管Q2可具体为PNP型三极管。控制单元10可具体为单片机，用于向第一开关管Q1输入高电平信号或低电平信号。电压源V1可具体为+12V的电源。

参见图1并结合图2，在本发明实施例中，所述开关单元20包括第一开关管Q1以及第二开关管Q2；所述第一开关管Q1的控制极与所述控制单元10连接，所述第一开关管Q1的第一极与所述第二电压抬升单元以及所述第二开关管Q2的控制极连接，所述第一开关管Q1的第二极接地；所述第二开关管Q2的第一极分别与所述第一电压抬升单元连接，所述第二开关管Q2的第二极用于与电压源V1连接。

具体而言，向所述第一开关管Q1的基极输入高电平信号时，使第一开关管Q1导通，使线圈的负极(2脚)的电位从+12V拉至GND，此时与第一开关管Q1相连的第二开关管Q2的基极接收到低电平信号，进而使第二开关管Q2导通。向所述第一开关管Q1的基极输入低电平信号时，使第一开关管Q1截止，使线圈的负极(2脚)的电位从GND上升，此时第二开关管Q2的基极接收到高电平信号，进而使第二开关管Q2截止。

进一步的，所述开关单元20还包括第一电容；所述第一电容C1的第一端11与所述控制单元连接，且与所述第一开关管Q1的控制极连接，所述第一电容C1的第二端12接地。

具体而言，当所述控制单元10向开关单元20输入的是高电平信号时，会对第一电容C1进行充电，当第一电容C1充电到一定的电压时会使第一开关管Q1导通。当所述控制单元10向开关单元输入的是低电平信号时，第一电容C1会进行放电，此时会使第一开关管Q1截止。

进一步的，所述第一电压抬升单元30包括第二电容C2；所述第二电容C2的第一端21与所述线圈的正极以及所述电压源V1连接，所述第二电容C2的第二端22与所述第二开关管Q2的第一极连接。

在本实施例中，所述第二电容C2可具体为电解电容，所述第二电容C2的第一端21可具体为电解电容的正极，所述第二电容C2的第二端22可具体为负极。通过输入高电平信号使第一开关管Q1以及第二开关管Q2导通，进而通过所述第二电容C2使继电器50的线圈的正极(1脚)的电压被抬升，此时继电器50的线圈的负极(2脚)的电压为0V，即继电器50的线圈的正极(1脚)和继电器50的线圈的负极(2脚)的电压差与原来相比增大，1脚电压上升，2脚电压下降，1脚与2脚之间的电压差被拉大，此时可加速使继电器50导通。

进一步的，所述第一电压抬升单元30还包括第一电阻R1，所述第一电阻R1的第一端31分别与所述第二开关管Q2的第一极以及所述第二电容C2的第二端22连接；所述第一电阻R1的第二端32接地。

具体而言，所述第一电阻R1的第一端31分别与所述第二开关管Q2的集电极以及所述第二电容C2的第二端22连接；所述第一电阻R1的第二端32接地。

进一步的，所述第二电压抬升单元40包括第三电容C3；所述第三电容C3的第一端41分别与所述第一开关管Q1的第一极以及所述线圈的负极连接；所述第三电容C3的第二端42接地。

具体而言，通过输入低电平信号使第一开关管Q1以及第二开关管Q2截止，进而通过所述第三电容C3使线圈的负极(2脚)的电压被抬升。在本实施例中，所述线圈的负极(2脚)的电压具体被抬升为30V。此时线圈的正极(1脚)的电压为+12V，此时线圈的负极(2脚)的电压比线圈的正极(1脚)的电压大，会产生反向电压，使流经继电器50的电流逐渐减小，在本实施例中电流从40mA逐渐减小至10mA，此时可加速继电器50断开。

进一步的，所述第二电压抬升单元40还包括稳压管ZD1，所述稳压管ZD1与所述第三电容C3并联。

在本实施例中，所述稳压管ZD1的稳定电压可具体为30V，可将所述第三电容C3以及继电器的(2脚)的电压稳定在+30V，从而保护第一开关管Q1不会过压(第一开关管Q1的耐压为40V)。

进一步的，所述开关单元20还包括第一二极管D11以及第二二极管D12；所述第一二极管D11的正极与所述第三电容C3的第一端41连接，所述第一二极管D11的负极与所述电压源V1连接；所述第二二极管D12的正极与所述电压源V1连接，所述第二二极管D12的负极分别与所述第二电容C2的第一端21以及所述线圈的正极连接。

具体而言，在第一开关管Q1截止时，通过第一极管D11以及第二二极管D12的单向导通功能使继电器50的线圈的负极(2脚)的电压上升，此时第二开关管Q2也截止，通过第二二极管D12使继电器50的线圈的正极(1脚)的电压稳定在+12V。当第二开关管Q2导通时，可使第二电容C2的第二端22(负极)的电压上升到+12V。

进一步的，所述开关单元还包括第二电阻R2；所述第二电阻R2的第一端61分别与所述第一开关管Q1的第一极以及所述第三电容C3的第一端41连接；所述第二电阻R2的第二端32分别与所述第一二极管D11的正极以及所述第二开关管Q2的控制极连接。

进一步的，还包括第四电容C4以及第三电阻R3；所述第三电阻R3的第一端71与所述电压源V1连接，所述第三电阻R3的第二端72分别与所述第一二极管D11的负极、所述第二二极管D12的正极以及所述第四电容C4的第一端81连接，所述第四电容C4的第二端82接地。

具体而言，通过所述第三电阻R3以及所述第四电容C4使继电器在导通后，减小继电器50在正常工作状态下的损耗。如继电器(型号为832HA-1C-F-C)的驱动电压为12V，线圈固定阻抗为45Ω，那么该继电器正常导通时的损耗为驱动电压与驱动电流的乘积，计算公式为12V×(12V÷45Ω)。但通过本发明提供的通过第三电阻R3和线圈固定阻抗(固定阻抗Rrelay)匹配使叠加在线圈二边的电压为最低运行电压Vmin_on(一般继电器正常运行电压均小于驱动电压)，也就是说可以把正常运行的电压调整到低于驱动电压12V。如图2所示，第三电阻R3与继电器50的线圈串联，那么根据欧姆定律可以通过调整第三电阻R3与线圈的比例来使叠加在线圈二边的电压为最低运行电压Vmin_on，在本实施例中，第三电阻R3的阻值可以为15Ω，与线圈固定阻抗45Ω的比例是1:3，而+12V的电压也按照比例1:3，第三电阻R3的电压为3V，线圈的电压为9V，线圈的9V电压为最低运行电压Vmin_on。因此，此时继电器50的损耗为9V×(9V÷45Ω)；与原来的导通时的损耗12V×(12V÷45Ω)相比，通过两者相除，可以得到(9×9)÷(12×12)×100％＝56.25％，降低了继电器50的损耗。因此，可以通过调整第三电阻R3的阻值调整线圈的电压为最低运行电压，进而降低继电器50的损耗。

在本实施例中，如图2所示的继电器加速驱动电路的工作原理为：

在使导通继电器之前(处于断开状态)此时第一开关管Q1处于截止状态，电压源V1通过D12为线圈的正极(1脚)提供+12V的电压,使线圈的正极(1脚)和线圈的负极(2脚)均为+12V，此时第二开关管Q2截止，第二电容C2两端电压上升到+12V。其中，第二电容C2两端电压指的是电解电容的正极电压减去电解电容的负极电压。

在导通继电器50时：向开关单元20输入高电平信号，给第一电容C1充电，使第一开关管Q1导通，使线圈的负极(2脚)的电位从+12V拉至GND，此时第二开关管Q2导通，从而使第二电容C2的负极为+12V。由于第二电容C2两端电压为+12V，此时第二电容C2正极的电压被抬升为24V(负极为+12V，正极应为12+12V)即线圈的正极(1脚)的电位被抬升为+24V，让线圈的正极(1脚)和线圈的负极(2脚)之间有24V压降(开通时继电器线圈两端电压为24V)，使得继电器50加速导通(继电器50的线圈两端电压24V相对12V，开通更快)。继电器50正常导通后第二电容C2放电，此时第二二极管D12截止，第二电容C2经过继电器50的线圈以及第一开关管Q1的路径进行放电，第二电容C2两端电压持续降低，最后第二电容C2正负极之间无压降。通过改变第二电容C2的容值和匹配的继电器，可以调节第二电容C2的放电时间。第二电容C2电量放尽后，第二二极管D12导通，+12V的电压源通过第三电阻R3和第二二极管D12给继电器50供电，正常导通工作后线圈的两端电压为12V。在本发明实施例中，从向开关单元20输入高电平信号到继电器50导通所使用的时间为4.8mS。

在断开继电器50时：通过向开关单元20输入低电平信号，给第一电容C1放电，使第一开关管Q1截止，使线圈的负极(2脚)的电位从GND上升，线圈的电流流入电容第三电容C3给第三电容C3充电，+12V的电压源V1同时也叠加给第三电容C3充电，让线圈的负极(2脚)的电位快速上升，可通过控制第三电容C3容值的大小，使线圈的负极(2脚)的电位快速上升到+30V，此时稳压管ZD1将线圈的负极(2脚)的电压稳压在+30V，从而保护第一开关管Q1不会过压，此时线圈的正极(1脚)和线圈的负极(2脚)之间的电压差为-18V(12-30)，18V的反向电压(相对正常驱动的的正向电压)会迅速减小继电器50得线圈的续流电流到0，完成继电器50的加速断开。继电器50正常断开后第三电容C3通过电阻第二R2和第一二极管D11放电给电压源V1，直到第三电容C3两端电压为+12V时，第一二极管D11截止，同时电压源V1通过第二电容C2和第一电阻R1给第二电容C2充电，直到第二电容C2的两端电压+12V为止，即正常断开状态下线圈两端电压为0V。在本实施例中，从向开关单元20输入低电平信号到继电器50导通时间为1.7mS。

综上所述，根据导通与断开继电器50所需的时间分别为4.8mS和1.7mS，若在UPS(不间断电源)的状态切换过程所需的时间为(4.8mS+1.7mS)6.5mS，即保证了在此过程中输出负载的正常运行。

本发明实施例还具有的有益效果：不需要通过现有技术中的SCR电路(包括2个反向并联的SCR以及2路SCR驱动电路，SCR保护电路)，只需要继电器和继电器加速开通与加速关断驱动电路，成本低，占PCB的面积小，控制简单，继电器损耗最低，故障率低，极具有实用价值。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种继电器加速驱动电路，其特征在于，包括：控制单元、开关单元、第一电压抬升单元、第二电压抬升单元以及继电器，所述继电器包括线圈；所述开关单元与所述控制单元连接，所述第一电压抬升单元分别与所述开关单元以及所述线圈的正极连接，所述第二电压抬升单元分别与所述开关单元以及所述线圈的负极连接；其中，在接收到所述控制单元发送的第一预设信号时，所述开关单元导通，使得所述第一电压抬升单元抬升所述线圈的正极的电压；在接收到所述控制单元发送的第二预设信号时，所述开关单元关断，使得所述第二电压抬升单元抬升所述线圈的负极的电压；

所述开关单元包括第一开关管以及第二开关管；所述第一开关管的控制极与所述控制单元连接，所述第一开关管的第一极与所述第二电压抬升单元以及所述第二开关管的控制极连接，所述第一开关管的第二极接地；所述第二开关管的第一极分别与所述第一电压抬升单元连接，所述第二开关管的第二极用于与电压源连接；

所述第二电压抬升单元包括第三电容；所述第三电容的第一端分别与所述第一开关管的第一极以及所述线圈的负极连接；所述第三电容的第二端接地；

所述第二电压抬升单元还包括稳压管，所述稳压管与所述第三电容并联。

2.根据权利要求1所述的继电器加速驱动电路，其特征在于，所述开关单元还包括第一电容；所述第一电容的第一端与所述控制单元连接，且与所述第一开关管的控制极连接，所述第一电容的第二端接地。

3.根据权利要求1所述的继电器加速驱动电路，其特征在于，所述第一电压抬升单元包括第二电容；所述第二电容的第一端与所述线圈的正极以及所述电压源连接，所述第二电容的第二端与所述第二开关管的第一极连接。

4.根据权利要求3所述的继电器加速驱动电路，其特征在于，所述第一电压抬升单元还包括第一电阻，所述第一电阻的第一端分别与所述第二开关管的第一极以及所述第二电容的第二端连接；所述第一电阻的第二端接地。

5.根据权利要求3所述的继电器加速驱动电路，其特征在于，所述开关单元还包括第一二极管以及第二二极管；所述第一二极管的正极与所述第三电容的第一端连接，所述第一二极管的负极与所述电压源连接；所述第二二极管的正极与所述电压源连接，所述第二二极管的负极分别与所述第二电容的第一端以及所述线圈的正极连接。

6.根据权利要求5所述的继电器加速驱动电路，其特征在于，所述开关单元还包括第二电阻；所述第二电阻的第一端分别与所述第一开关管的第一极以及所述第三电容的第一端连接；所述第二电阻的第二端分别与所述第一二极管的正极以及所述第二开关管的控制极连接。

7.根据权利要求5所述的继电器加速驱动电路，其特征在于，还包括第四电容以及第三电阻；所述第三电阻的第一端与所述电压源连接，所述第三电阻的第二端分别与所述第一二极管的负极、所述第二二极管的正极以及所述第四电容的第一端连接，所述第四电容的第二端接地。