TWI494966B - 繼電器驅動電路 - Google Patents

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Description

繼電器驅動電路
本發明涉及一種驅動電路，尤其涉及一種繼電器驅動電路。
大電流高電壓繼電器常應用於各種包含有交流高電壓源之供電系統，例如不斷電系統(Uninterruptiable Power Supply,UPS)及電源分配管理系統(Power Distribution Unit,PDU)中。大電流高電壓繼電器內部一般設有驅動線圈及金屬彈片接點，利用驅動線圈之通電與斷電來分別控制金屬彈片接點之閉合與斷開。相較於普通繼電器，大電流高電壓繼電器工作時，其驅動線圈之電感充放電效應較為明顯，可能導致繼電器開啟與關閉時間較長，且金屬彈片接點在從閉合狀態過渡到斷開狀態之過程中容易產生有害之電弧，在開啟時還可能因彈片之機械彈跳動作而產生輸出電壓波動。然，目前在絕大多數之UPS、PDU等供電系統中，有必要加入用於解決上述問題之專用裝置。
針對上述問題，有必要提供一種能在大電流高電壓供電系統中，避免繼電器在切換時產生電弧及穩定輸出電壓之繼電器驅動電路。
一種繼電器驅動電路，用於一含有交流電壓源之供電系統中，所述繼電器驅動電路包括：一零交越區域測試電路，電性連接至該 交流電壓源，該零交越區域測試電路用於測試該交流電壓源之零交越區域，並輸出一零交越區域測試訊號；一邏輯控制電路，電性連接至該零交越區域測試電路，用於接收該零交越區域測試訊號及一開關控制訊號，當該交流電壓源位於零交越區域時，該邏輯控制電路之輸出訊號與該開關控制訊號同相；以及一切換開關，分別電性連接至該邏輯控制電路及一繼電器，該切換開關在該邏輯控制電路之輸出訊號之控制下而開啟與關閉，以對應控制該繼電器之開啟與關閉。
與習知技術相比，所述之繼電器驅動電路通過該零交越區域測試電路測試該交流電壓源之零交越區域，並通過該邏輯控制電路控制該開關控制訊號在該零交越區域有效，從而驅動該切換開關在該零交越區域啟動或關閉該繼電器，從而有效避免繼電器在切換時產生電弧及輸出電壓不穩定現象。
100‧‧‧繼電器驅動電路
20‧‧‧零交越區域測試電路
21‧‧‧交流光耦合器
30‧‧‧邏輯控制電路
40‧‧‧切換開關
50‧‧‧驅動電壓源
60‧‧‧開啟時間調節電路
200‧‧‧繼電器
210‧‧‧驅動線圈
211‧‧‧第一端
213‧‧‧第二端
230‧‧‧金屬彈片接點
R21‧‧‧限流電阻
R22‧‧‧第一上拉電阻
R61‧‧‧第一分壓電阻
R62‧‧‧第二分壓電阻
R70‧‧‧第二上拉電阻
D11、D12‧‧‧發光二極體
D2‧‧‧續流二極體
Q1‧‧‧光敏三極體
Q2‧‧‧P溝道MOS型場效應電晶體
J1‧‧‧跨接器
300‧‧‧交流電壓源
圖1為本發明較佳實施方式之繼電器驅動電路用於驅動一繼電器之電路圖。
圖2為圖1所示繼電器驅動電路之零交越區域測試電路之電路圖。
圖3為圖1所示繼電器驅動電路之時序圖。
圖4為一繼電器之開啟時間與線圈功率曲線示意圖。
請參閱圖1，本發明較佳實施方式之繼電器驅動電路100用於在一含有交流電壓源300(如圖2所示)之供電系統中驅動一繼電器200作出開關動作。所述繼電器驅動電路100包括一零交越區域測試 電路20、一電性連接至該零交越區域測試電路20之邏輯控制電路30、一電性連接至該邏輯控制電路30之切換開關40、一驅動電壓源50及一開啟時間調節電路60。所述零交越區域測試電路20用於測試該交流電壓源300輸出之相鄰正相電壓與反相電壓之交點附近區域，即零交越區域；所述邏輯控制電路30根據該交流電壓源300之零交越區域及一由外部電路發出之開關控制訊號來控制該切換開關40，以使該切換開關40在該零交越區域啟動或關閉該繼電器200；該驅動電壓源50為該繼電器200之工作提供一驅動電壓；該開啟時間調節電路60電性連接至該繼電器200與該驅動電壓源50之間，用於調整該繼電器200之驅動電壓之大小，以使該繼電器200之開啟時間接近於該交流電壓源300之半週期，如此可確保該繼電器200在該零交越區域之時刻開啟。在本實施方式中，所述驅動電壓源50為12伏之直流電壓源。
在本較佳實施方式中，所述繼電器200為一電磁繼電器，其包括一驅動線圈210及一金屬彈片接點230。該驅動線圈210包括一第一端211及一第二端213。當該驅動線圈210之第一端211及該第二端213之間有電流通過產生磁場而使該金屬彈片接點230即閉合。反之，當該第一端211及該第二端213之間沒有電流通過時，該金屬彈片接點230即斷開。
請參閱圖2，所述零交越區域測試電路20包括一交流光耦合器21、一限流電阻R21、一第一上拉電阻R22。在本實施例中，該交流光耦合器21可以為習知之光耦合器。該交流光耦合器21包括二並聯之發光二極體D11、D12及一光敏三極體Q1。發光二極體D11之陽極與發光二極體D12之陰極均通過該限流電阻R21電性連接至該 交流電壓源300一端，發光二極體D11之陰極與該發光二極體D12之陽極均電性連接至該交流電壓源300之另一端。該光敏三極體Q1為習知之NPN型三極體，具有射極、集極與基極。其中該射極接地，集極通過所述第一上拉電阻R22電性連接至一電源VCC。且該光敏三極體Q1之集極與該第一上拉電阻R22之間輸出一零交越區域測試訊號至該邏輯控制電路30。調節該限流電阻R21之阻值，可以調節該零交越區域之寬度。當該交流電壓源300之電壓在正半周及負半周之電位高於所述發光二極體D11及發光二極體D12之正嚮導通電壓與該限流電阻R21之壓降總和時，則會分別點亮發光二極體D11及發光二極體D12而使該光敏三極體Q1導通，此時會使該零交越區域測試訊號變為低電平。而當該交流電壓源300之電壓電位處於零交越區域時，此時該電壓點位元低於所述發光二極體D11及發光二極體D12之正嚮導通電壓與該限流電阻R21之壓降總和時，則不會使任何一所述發光二極體D11及發光二極體D12發亮，從而該光敏三極體Q1截止，此時會使該零交越區域測試訊號為高電平。
請複參閱圖1，所述邏輯控制電路30接收該零交越區域測試電路20發送之零交越區域測試訊號以及所述開關控制訊號。該開關控制訊號，用以控制該繼電器200之開啟與關閉。當該零交越區域測試訊號為高電平時，該邏輯控制電路30之輸出訊號即與該開關控制訊號同相。當該零交越區域測試訊號為低電平時，該邏輯控制電路30之輸出訊號相位不變。如此，在該零交越區域測試訊號為高電平時，該開關控制訊號有效，也就是說，在該交流電壓源300之電壓點位元在零交越區域時，該開關控制訊號有效，以控制該繼電器200之開啟與關閉。
在本較佳實施方式中，所述切換開關40為一P溝道MOS型場效應電晶體Q2。該P溝道MOS型場效應電晶體Q2之汲極接地，閘極電性連接至該邏輯控制電路30之輸出端，源極電性連接至該驅動線圈210之第二端213。可以理解，所述切換開關40也可以為一PNP型三極體，該PNP型三極體之基極，射極和集極分別對應所述P溝道MOS型場效應電晶體Q2之閘極、源極和汲極。
所述開啟時間調節電路60包括一第一分壓電阻R61、一第二分壓電阻R62及一跨接器J1。所述第一分壓電阻R61及一第二分壓電阻R62一端通過該跨接器J1相連接，另一端直接相連後連接至該繼電器200之第一端211。該跨接器J1與第一分壓電阻R61之間電性連接至所述驅動電壓源50。
請參閱圖2及圖3，所述繼電器驅動電路100用於驅動該繼電器200時，首先向該邏輯控制電路30之輸入端施加所述開關控制訊號，當該開關控制訊號為低電平且該零交越區域測試訊號為高電平時，該邏輯控制電路30輸出一低電平至該P溝道MOS型場效應電晶體Q2之閘極，該切換開關40導通，該繼電器200之驅動線圈210在該驅動電壓源50之作用下有電流通過產生磁場而使該金屬彈片接點230閉合；而當該開關控制訊號為高電平且該零交越區域測試訊號為高電平時，該邏輯控制電路30輸出一高電平至該P溝道MOS型場效應電晶體Q2之閘極，該切換開關40截止，該繼電器200之驅動線圈210上沒有電流通過而使該金屬彈片接點230斷開。
由於每一繼電器200具有一定之開啟時間，在本實施方式中即為從該切換開關40導通至該金屬彈片接點230閉合之間之時間，為了使該繼電器200在該零交越區域開啟以避免該繼電器200在切換 時產生電弧，則需使該開啟時間接近於該交流電壓源300之半週期。而所述交流電壓源300之頻率為50Hz或者60Hz，對應地，該繼電器200之開啟時間應對應接近10ms或者8.3ms。由於驅動線圈210之功率即加在驅動線圈210兩端之電壓不同，其所對應之開啟時間則不同(如圖4所示)，因此在本較佳實施方式中，通過於該驅動線圈210與驅動電壓源50之間串聯所述開啟時間調節電路60，通過該開啟時間調節電路60之電阻及該驅動線圈210之內阻分壓來調整驅動線圈210之功率大小以控制該繼電器200之開啟時間。並通過該跨接器J1之斷開與聯接來調整該開啟時間調節電路60之電阻阻值，進而調節該繼電器200之開啟時間為10ms或者8.3ms。
在本較佳實施方式中，該驅動線圈210之第一端211及第二端213之間還反向並聯一續流二極體D2。該切換開關40與該之間通過一第二上拉電阻R70電性連接至該驅動電壓源50。當該切換開關40截止時，作用在該驅動線圈210上之驅動電壓消失使該驅動線圈210產生很大之自感電壓，該續流二極體D2用於釋放該自感電壓，以免該自感電壓對電路中其他電子器件造成損壞。該切換開關40截止時，該第二上拉電阻R70用於將該切換開關40與該邏輯控制電路30之連接端維持在一高電位以使該切換開關40截止。
相較於習知技術，本發明所述之繼電器驅動電路100通過該零交越區域測試電路20測試該交流電壓源300之零交越區域，並通過該邏輯控制電路30控制該開關控制訊號在該零交越區域有效，從而使該切換開關40在該零交越區域及時地啟動或關閉該繼電器200，有效避免繼電器在切換時產生電弧及輸出電壓不穩定現象 。
100‧‧‧繼電器驅動電路
20‧‧‧零交越區域測試電路
30‧‧‧邏輯控制電路
40‧‧‧切換開關
50‧‧‧驅動電壓源
60‧‧‧開啟時間調節電路
200‧‧‧繼電器
210‧‧‧驅動線圈
211‧‧‧第一端
213‧‧‧第二端
230‧‧‧金屬彈片接點
R61‧‧‧第一分壓電阻
R62‧‧‧第二分壓電阻
R70‧‧‧第二上拉電阻
D2‧‧‧續流二極體
Q2‧‧‧P溝道MOS型場效應電晶體
J1‧‧‧跨接器

Claims (9)

  1. 一種繼電器驅動電路，用於一含有交流電壓源之供電系統中，其特徵在於，所述繼電器驅動電路包括：一零交越區域測試電路，電性連接至該交流電壓源，該零交越區域測試電路用於測試該交流電壓源之零交越區域，並輸出一零交越區域測試訊號，所述零交越區域測試電路包括一交流光耦合器，該交流光耦合器電性連接於該交流電壓源之兩端之間；一邏輯控制電路，電性連接至該零交越區域測試電路，用於接收該零交越區域測試訊號及一開關控制訊號，當該交流電壓源位於零交越區域時，該邏輯控制電路之輸出訊號與該開關控制訊號同相；以及一切換開關，分別電性連接至該邏輯控制電路及一繼電器，該切換開關在該邏輯控制電路之輸出訊號之控制下而開啟與關閉，以對應控制該繼電器之開啟與關閉。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之繼電器驅動電路，其中所述零交越區域測試電路還包括一限流電阻，該限流電阻串接至該交流光耦合器與該交流電壓源之間，調節該限流電阻之阻值以調節該零交越區域之寬度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之繼電器驅動電路，當所述交流電壓源之電壓位於零交越區域時，該交流光耦合器截止，該零交越區域測試電路輸出之所述零交越區域測試訊號為高電平。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之繼電器驅動電路，其中所述切換開關為一P溝道MOS型場效應電晶體，其汲極接地，閘極電性連接至該邏輯控制電路之輸出端，源極電性連接至該繼電器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之繼電器驅動電路，其中所述切換開關為一 PNP型三極體，其集極接地，基極電性連接至該邏輯控制電路之輸出端，射極電性連接至該繼電器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之繼電器驅動電路，其中所述繼電器驅動電路還包括一開啟時間調節電路及一驅動電壓源，該開啟時間調節電路串聯至該繼電器及該驅動電壓源之間，用於調整該繼電器之驅動電壓之大小，以使該繼電器之開啟時間接近於該交流電壓源之半週期。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之繼電器驅動電路，其中所述開啟時間調節電路包括一第一分壓電阻，該第一分壓電阻串聯至該繼電器及一驅動電壓源之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之繼電器驅動電路，其中所述開啟時間調節電路還包括一第二分壓電阻及一跨接器，該第二分壓電阻串聯該跨接器後與該第一分壓電阻並聯，該跨接器用於連接或斷開該第二分壓電阻與該第一分壓電阻之電性連接。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之繼電器驅動電路，其中所述繼電器驅動電路還包括一續流二極體，該續流二極體並聯於該繼電器兩端，且該續流二極體之陰極電性連接至該驅動電壓源。
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