CN208112209U - 继电器过零控制电路 - Google Patents

Abstract

继电器过零控制电路。涉及家用电器控制领域。提出了一种操作简单，成本低廉，稳定可靠的继电器过零控制电路。本实用新型的技术方案为：包括过零触发电路、过零动作电路和中央控制模块，所述中央控制模块包括与零触发电路、过零动作电路保持连接的主控芯片；所述过零触发电路连接市电、且通过端口ZERO1向所述主控芯片传送电压信号，所述过零动作电路连接在市电中，所述过零动作电路通过端口ZERO2向所述主控芯片传送电压信号、且通过端口RLY接收控制信号。从整体上具有操作简单，成本低廉，稳定可靠的优点。

Description

继电器过零控制电路

技术领域

本实用新型涉及家用电器控制领域，具体涉及一种继电器过零的控制方法。

背景技术

目前继电器作为小功率控制大功率的开关广为使用，但使用过程中发现，负载为大电流时，继电器触点极易出现电弧火花，严重影响继电器的使用寿命。所谓继电器过零控制，即使得继电器在市电0点附近吸合或者断开，此时负载端电流是非常小的，继电器接近于无负载工作状态，其开关寿命接近于机械寿命，而目前常规继电器的机械寿命是其电气寿命的100倍左右，因此采用继电器过零控制可以大幅度延长其使用寿命。对于交流负载，部分产品通过筛选继电器，选择开关特效一致性较好的产品，通过软件固定延时实现继电器过零控制，减少电弧火花对继电器寿命的影响。但此方法工作量大，人工成本过高，难以大范围推广。部分产品通过相位检测，实现继电器的过零控制，电路相对复杂，材料成本高，不利于推广。

实用新型内容

本实用新型针对以上问题，提出了一种操作简单，成本低廉，稳定可靠的继电器过零控制电路。

本实用新型的技术方案为：包括过零触发电路、过零动作电路和中央控制模块，所述中央控制模块包括与零触发电路、过零动作电路保持连接的主控芯片；

所述过零触发电路连接市电、且通过端口ZERO1向所述主控芯片传送电压信号，所述过零动作电路连接在市电中，所述过零动作电路通过端口ZERO2向所述主控芯片传送电压信号、且通过端口RLY接收控制信号。

所述过零触发电路包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、二极管D5和二极管D8，二极管D5的阴极与5V电源相连，二极管D5的阳极和二极管D8的阴极相连，二极管D8的阳极接地，电阻R8一端与电阻R9相连、电阻R8另一端连接市电，电阻R9远离R8的一端连接在二极管D5和二极管D8之间，电阻R10的一端连接在二极管D5和二极管D8之间、且另一端通过端口ZERO1连接所述主控芯片。

所述过零动作电路包括继电器REL1、负载H、电阻R7、电阻R6、电阻R5、电阻R2、电阻R1、二极管D1、二极管D2、二极管D9和三极管Q5，市电的火线L与继电器REL1的负载开关其中一脚端相连、且继电器REL1的负载开关的另一脚经负载H与市电的零线N相连；

二极管D9的阳极连接零线N，二极管D9阴极连接二极管D2的阳极，二极管D2阴极接5V电源，电阻R6一端连接在二极管D2和二极管D9之间、且另一端通过电阻R7连接到负载H和继电器REL1的负载开关之间，电阻R5的一端连接在二极管D2和二极管D9之间、且另一端通过端口ZERO2与主控芯片相连；

电阻R1一端接三极管Q5的基极、且另一端通过端口RLY连接主控芯片，三极管Q5发射极接地，电阻R2并联在三极管Q5基极与发射极之间，三极管Q5集电极接继电器REL1的线圈和二极管D1阳极，继电器REL1的线圈远离三极管Q5的一端接12V电源、且二极管D1的阴极接12V电源。

所述中央控制模块包括电容E1、电容C1和主控芯片U1，所述电容E1的正极接5V电源、且负极接地，电容C1与电容E1并联，主控芯片U1的第1脚与5V电源相连，主控芯片U1的第8脚接地，主控芯片U1的第2脚连接端口ZERO2，主控芯片U1的第7脚连接端口ZERO1，主控芯片U1的第6脚连接端口RLY。

本实用新型通过过零触发电路，获得市电零点信号，由主控芯片控制继电器吸合或关闭，再通过过零动作电路，检测继电器负载端实际动作的时间，计算由主控芯片发出控制信号到继电器实际动作的时间差，即可获得继电器动作的延时。将获取的继电器动作延时数据保存到主控芯片中，之后可通过读取主控芯片中存储的相关数据，根据继电器线圈动作到负载端动作的延时，在接收到过零信号之后，主控芯片延迟一段时间再给出继电器控制信号，以此来实现继电器的过零开关。虽然继电器批量的动作延时一致性较差，但对于同一个继电器其动作延时一致性是非常好的，因此完全可以通过此方法对继电器进行过零控制。从整体上具有操作简单，成本低廉，稳定可靠的优点。

附图说明

图1是本案中控制电路的结构示意图，

图2是本案中过零触发电路的结构示意图，

图3是本案中过零动作电路的结构示意图，

图4是本案中中央控制模块的结构示意图，

图5是本案中稳压电路的结构示意图；

图6是本案中步骤1)-步骤2)的工作流程图，

图7是本案中步骤3)-步骤4)的工作流程图。

具体实施方式

本实用新型如图1-7所示，包括过零触发电路、过零动作电路和中央控制模块，所述中央控制模块包括与零触发电路、过零动作电路保持连接的主控芯片；

所述过零触发电路通过稳压电路(此处的稳压电路为现有技术、且与本案主要创新点无关，如图5所示)连接市电、且通过端口ZERO1向所述主控芯片传送电压信号，所述过零动作电路连接在市电中，所述过零动作电路通过端口ZERO2向所述主控芯片传送电压信号、且通过端口RLY接收控制信号。

如图2所示，所述过零触发电路包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、二极管D5和二极管D8，二极管D5的阴极与5V电源相连，二极管D5的阳极和二极管D8的阴极相连，二极管D8的阳极接地，电阻R8一端与电阻R9相连、电阻R8另一端通过稳压电路(即接入稳压电路中电阻R101和二极管D3之间)连接市电，电阻R9远离R8的一端连接在二极管D5和二极管D8之间，电阻R10的一端连接在二极管D5和二极管D8之间、且另一端通过端口ZERO1连接所述主控芯片。

如图3所示，所述过零动作电路包括继电器REL1、负载H、电阻R7、电阻R6、电阻R5、电阻R2、电阻R1、二极管D1、二极管D2、二极管D9和三极管Q5，市电的火线L与继电器REL1的负载开关其中一脚端相连、且继电器REL1的负载开关的另一脚经负载H与市电的零线N相连；

二极管D9的阳极连接零线N，二极管D9阴极连接二极管D2的阳极，二极管D2阴极接5V电源，电阻R6一端连接在二极管D2和二极管D9之间、且另一端通过电阻R7连接到负载H和继电器REL1的负载开关之间，电阻R5的一端连接在二极管D2和二极管D9之间、且另一端通过端口ZERO2与主控芯片相连；

电阻R1一端接三极管Q5的基极、且另一端通过端口RLY连接主控芯片，三极管Q5发射极接地，电阻R2并联在三极管Q5基极与发射极之间，三极管Q5集电极接继电器REL1的线圈和二极管D1阳极，继电器REL1的线圈远离三极管Q5的一端接12V电源、且二极管D1的阴极接12V电源。

如图4所示，所述中央控制模块包括电容E1、电容C1和主控芯片U1，所述电容E1的正极接5V电源、且负极接地，电容C1与电容E1并联，主控芯片U1的第1脚与5V电源相连，主控芯片U1的第8脚接地，主控芯片U1的第2脚连接端口ZERO2，主控芯片U1的第7脚连接端口ZERO1，主控芯片U1的第6脚连接端口RLY。

本实用新型通过过零触发电路，获得市电零点信号，由主控芯片控制继电器吸合或关闭，再通过过零动作电路，检测继电器负载端实际动作的时间，计算由主控芯片发出控制信号到继电器实际动作的时间差，即可获得继电器动作的延时。将获取的继电器动作延时数据保存到主控芯片中，之后可通过读取主控芯片中存储的相关数据，根据继电器线圈动作到负载端动作的延时，在接收到过零信号之后，主控芯片延迟一段时间再给出继电器控制信号，以此来实现继电器的过零开关。虽然继电器批量的动作延时一致性较差，但对于同一个继电器其动作延时一致性是非常好的，因此完全可以通过此方法对继电器进行过零控制。

本实用新型的控制原理如下所述：

一、过零信号的检测：当过零触发电路的端口ZERO1有电平跳变时即可认为市电处于零点附近，即获得过零信号。

二、继电器闭合延时的测量：过零动作电路和过零触发电路都是共零线为GND的，因此其过零信号也是同步的，当主控芯片检测到端口ZERO1负跳变，此时对继电器控制端口RLY发高电平，三极管Q5导通，继电器REL1线圈有电流，可触发继电器吸合。在继电器负载端吸合前，过零动作电路信号端口ZERO2被负载H和限流电阻R7、电阻R6下拉，处于低电平状态。当继电器吸合后端口ZERO2的电平状态则由火线L、零线N的电压极性决定，如果电流处于市电正半周期(电流由L流向N)，则电流路径为L->电阻R7->电阻R6->电阻R5->芯片内部正嵌位二极管，则此时端口ZERO2处于高电平。当L、N电压极性处于市电负半周期(电流由N流向L)，则电流路径为N->主控芯片内部负嵌位->电阻R5->电阻R6->电阻R7->L，即端口ZERO2处于低电平。由此可知如果端口ZERO2由高电平变为低电平则可判断其已经吸合，设此时的闭合延时为Ton1。

但问题在于当继电器闭合延时小于半个市电周期时端口ZERO2处于低电平时也可能处于吸合状态，那么还需要过零信号正跳变时的继电器闭合延时时间。同理，当端口ZERO1正跳变，主控芯片对继电器控制端口RLY发高电平。在继电器负载吸合前，过零动作电路信号端口ZERO2处于低电平，当检测到端口ZERO2变为高电平即可判断继电器吸合，记此时的继电器闭合延时为Ton2。如果继电器的闭合延时小于半个市电周期，那么Ton2<Ton1，，Ton2才是实际的继电器闭合延时。如果继电器的闭合延时大于半个市电周期，那么Ton1<Ton2，Ton1才是实际的继电器闭合时间。由此就可以取Ton1、Ton2的较小值作为继电器的实际闭合时间，记Ton＝Min(Ton1,Ton2)。

三、继电器过零闭合控制：记市电周期为Tac，取Tadj＝Ton％Tac(其中％为取除法余数，当Ton<Tac时，Tadj＝Ton；当Ton>Tac时，Tadj为超过整数个市电周期的延时时间)，则当再次检测到市电过零信号后，延时Tac-Tadj再对继电器控制端口RLY给高电平，即可补偿继电器的闭合延时，使得继电器在市电零点闭合。

四、继电器断开延时的测量：当主控芯片检测到端口ZERO1负跳变，此时给继电器控制端口RLY低电平，三极管Q5截止，继电器REL线圈无电流。继电器负载端断开前，由于端口ZERO2和端口ZERO1信号同步，即端口ZERO2与端口ZERO1处于同电平状态。而当继电器实际断开后，端口ZERO2被负载H和限流电阻R7、电阻R6下拉，处于低电平状态。那么即可通过判断端口ZERO2是否与端口ZERO1一致来判断继电器是否断开，如果不一致为已经断开。但由于继电器断开后端口ZERO2处于低电平，所以端口ZERO1和端口ZERO2电平一致不能作为继电器未断开的充分依据。对于端口ZERO1负跳变，记此时的继电器闭合时间为Toff1，如果继电器的断开时间小于半个市电周期，则Toff1需要在市电正半周期才能被检测到，即此时Toff1会比实际的继电器闭合时间长。那么还需要测量端口ZERO1正跳变时的继电器闭合时间Toff2，当主控芯片检测到端口ZERO1正跳变，发出继电器断开信号即对端口RLY赋低电平，由于端口ZERO1处于高电平，而继电器断开后端口ZERO2将被拉至低电平，因此如果继电器实际断开时间小于半个市电周期，则当其断开后端口ZERO2电平将于端口ZERO1相反。所以可以取Toff1、Toff2中的较小值作为继电器断开延时，记为Toff＝Min(Toff1,Toff2)。

五、继电器过零断开控制：与继电器过零闭合控制类似，当检测到过零信号时，延时Tac-Toff％Tac(其中％为取除法余数，当Toff<Tac时，Tadk＝Toff；当Ton>Tac时，Tadk为超过整数个市电周期的延时时间)，再由主控芯片发出继电器断开信号，即对端口RLY端口赋低电平，此时即可补偿继电器的断开延时，实现继电器的过零断开控制。

其中，考虑到继电器动作延时可能超过一个市电周期，当继电器动作时间大于一个市电周期时即Ton>Tac那么Tac–Ton就会小于0，而时间始终是正数，因此不能直接采用Tac-Ton，本案中使用取除法余数法，即可准确的获取出超过整数个市电周期的延时时间；同理，Toff％Tac必然不会大于Tac，时间最小也是0不可能到负数。

如图6-7所示，按以下步骤进行过零控制：可分为继电器闭合和继电器断开两种操作方式；

1)、测量继电器闭合延时的时间；由于主控芯片检测到由端口ZERO1发出可分为的电压负跳变信号和电压正跳变信号两种，因此下述中对两种情况分别进行采样；

1.1)、主控芯片检测到由端口ZERO1发出的电压负跳变信号；

1.1.1)、主控芯片通过端口RLY向继电器REL1发出高电平，并记录发出信号的时间，此时三极管Q5导通，继电器REL1线圈有电流，触发继电器吸合；在继电器负载端吸合前，过零动作电路的端口ZERO2被负载H和限流电阻R7、R6下拉，处于低电平状态；

1.1.2)、当继电器闭合时，若市电处于正半周期(电流由L流向N)，则进入步骤1.1.3.1)；若市电处于负半周期时(电流由N流向L)，则进入步骤1.1.3.2)；

1.1.3)、记录Ton1；

1.1.3.1)、此时电流路径为火线L->电阻R7->电阻R6->电阻R5->主控芯片，端口ZERO2处于高电平；

1.1.3.2)、此时电流路径为零线N->主控芯片->电阻R5->电阻R6->电阻R7->火线L，端口ZERO2处于低电平，并在一段时间后端口ZERO2突跳为高电平；

1.1.3.3)、记录端口ZERO2由低电平转为高电平的时间；

1.1.3.4)、由主控芯片计算出端口ZERO2由低电平转为高电平的时间与主控芯片发出信号的时间的时间差，记为Ton1；

1.2)、主控芯片检测到由端口ZERO1发出的电压正跳变信号；

1.2.1)、主控芯片通过端口RLY向继电器REL1发出高电平，并记录发出信号的时间，此时三极管Q5导通，继电器REL1线圈有电流，触发继电器吸合；在继电器负载端吸合前，过零动作电路的端口ZERO2被负载H和限流电阻R7、R6下拉，处于低电平状态；

1.2.2)、当继电器闭合时，若市电处于正半周期时(电流由L流向N)，则进入步骤1.2.3.1)；若市电处于负半周期时(电流由N流向L)，则进入步骤1.2.3.2)；

1.2.3)、记录Ton2；

1.2.3.1)、此时电流路径为火线L->电阻R7->电阻R6->电阻R5->主控芯片，端口ZERO2处于高电平；

1.2.3.2)、此时电流路径为零线N->主控芯片->电阻R5->电阻R6->电阻R7->火线L，端口ZERO2处于低电平，并在一段时间后端口ZERO2突跳为高电平；

1.2.3.3)、记录端口ZERO2由低电平转为高电平的时间；

1.2.3.4)、由主控芯片计算出端口ZERO2由低电平转为高电平的时间与主控芯片发出信号的时间的时间差，记为Ton2；

1.3)、由主控芯片取Ton1、Ton2的较小值作为继电器的实际闭合时间，记Ton＝Min(Ton1,Ton2)；

2)、继电器过零闭合控制；

2.1)、记市电周期为Tac，取Tadj＝Ton％Tac(其中％为取除法余数)；

2.2)、当再次检测到市电过零信号后，主控芯片延时Tac-Tadj后对继电器控制端口RLY给高电平，即可补偿继电器的闭合延时，使得继电器在下一个零点闭合；

3)、测量继电器断开延时的时间；由于主控芯片检测到由端口ZERO1发出可分为的电压负跳变信号和电压正跳变信号两种，因此下述中对两种情况分别进行采样；

3.1)、主控芯片检测到由端口ZERO1发出的电压负跳变信号；

3.1.1)、主控芯片通过端口RLY向继电器REL1发出低电平，并记录发出信号的时间，此时三极管Q5截止，继电器REL1线圈无电流，触发继电器断开；由于端口ZERO2和端口ZERO1信号同步，即端口ZERO2与端口ZERO1处于同电平状态；

3.1.2)、当继电器断开时，若市电处于正半周期时，则进入步骤3.1.3.1)；若市电处于负半周期时，则进入步骤3.1.3.2)；

3.1.3)、记录Toff1；

3.1.3.1)、此时端口ZERO1处于高电平，端口ZERO2由高电平变为低电平；

3.1.3.2)、此时端口ZERO1处于低电平，端口ZERO2为低电平，并在一段时间后端口ZERO1突跳为高电平；

3.1.3.3)、记录端口ZERO1和端口ZERO2电平出现不一致的时间；

3.1.3.4)、由主控芯片计算出端口ZERO1和端口ZERO2电平出现不一致的时间与主控芯片发出信号的时间的时间差，记为Toff1；

3.2)、主控芯片检测到由端口ZERO1发出的电压正跳变信号；

3.2.1)、主控芯片通过端口RLY向继电器REL1发出低电平，并记录发出信号的时间，此时三极管Q5截止，继电器REL1线圈无电流，触发继电器断开；由于端口ZERO2和端口ZERO1信号同步，即端口ZERO2与端口ZERO1处于同电平状态；

3.2.2)、当继电器断开时，若市电处于正半周期，则进入步骤3.2.3.1)；若市电处于负半周期，则进入步骤3.2.3.2)；

3.2.3)、记录Toff2；

3.2.3.1)、此时端口ZERO1处于高电平，端口ZERO2由高电平变为低电平；

3.2.3.2)、此时端口ZERO1处于低电平，端口ZERO2为低电平，并在一段时间后端口ZERO1突跳为高电平；

3.2.3.3)、记录端口ZERO1和端口ZERO2电平出现不一致的时间；

3.2.3.4)、由主控芯片计算出端口ZERO1和端口ZERO2电平出现不一致的时间与主控芯片发出信号的时间的时间差，记为Toff2；

3.3)、由主控芯片取Toff1、Toff2的较小值作为继电器的实际断开时间，记Toff＝Min(Toff1,Toff2)；

4)、继电器过零断开控制；

4.1)、记市电周期为Tac，取Tadk＝Toff％Tac(其中％为取除法余数)；

4.2)、当再次检测到市电过零信号后，主控芯片延时Tac-Tadk后对继电器控制端口RLY给低电平，即可补偿继电器的断开延时，使得继电器在下一个零点断开；完毕。

Claims (4)

1.继电器过零控制电路，其特征在于，包括过零触发电路、过零动作电路和中央控制模块，所述中央控制模块包括与零触发电路、过零动作电路保持连接的主控芯片；

所述过零触发电路连接市电、且通过端口ZERO1向所述主控芯片传送电压信号，所述过零动作电路连接在市电中，所述过零动作电路通过端口ZERO2向所述主控芯片传送电压信号、且通过端口RLY接收控制信号。

2.根据权利要求1所述的继电器过零控制电路，其特征在于，所述过零触发电路包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、二极管D5和二极管D8，二极管D5的阴极与5V电源相连，二极管D5的阳极和二极管D8的阴极相连，二极管D8的阳极接地，电阻R8一端与电阻R9相连、电阻R8另一端连接市电，电阻R9远离R8的一端连接在二极管D5和二极管D8之间，电阻R10的一端连接在二极管D5和二极管D8之间、且另一端通过端口ZERO1连接所述主控芯片。

3.根据权利要求1所述的继电器过零控制电路，其特征在于，所述过零动作电路包括继电器REL1、负载H、电阻R7、电阻R6、电阻R5、电阻R2、电阻R1、二极管D1、二极管D2、二极管D9和三极管Q5，市电的火线L与继电器REL1的负载开关其中一脚端相连、且继电器REL1的负载开关的另一脚经负载H与市电的零线N相连；

二极管D9的阳极连接零线N，二极管D9阴极连接二极管D2的阳极，二极管D2阴极接5V电源，电阻R6一端连接在二极管D2和二极管D9之间、且另一端通过电阻R7连接到负载H和继电器REL1的负载开关之间，电阻R5的一端连接在二极管D2和二极管D9之间、且另一端通过端口ZERO2与主控芯片相连；

电阻R1一端接三极管Q5的基极、且另一端通过端口RLY连接主控芯片，三极管Q5发射极接地，电阻R2并联在三极管Q5基极与发射极之间，三极管Q5集电极接继电器REL1的线圈和二极管D1阳极，继电器REL1的线圈远离三极管Q5的一端接12V电源、且二极管D1的阴极接12V电源。

4.根据权利要求1所述的继电器过零控制电路，其特征在于，所述中央控制模块包括电容E1、电容C1和主控芯片U1，所述电容E1的正极接5V电源、且负极接地，电容C1与电容E1并联，主控芯片U1的第1脚与5V电源相连，主控芯片U1的第8脚接地，主控芯片U1的第2脚连接端口ZERO2，主控芯片U1的第7脚连接端口ZERO1，主控芯片U1的第6脚连接端口RLY。