一種繼電器過零觸發(fā)開關(guān)電路的制作方法

本發(fā)明涉及電子電路技術(shù)，具體地說是一種有效提升繼電器開關(guān)容性和感性負(fù)載壽命的過零觸發(fā)電路，繼電器在過零點(diǎn)打開，減少了對(duì)負(fù)載用電器的沖擊，同時(shí)減少大電流脈沖及電磁干擾對(duì)電網(wǎng)的污染。

背景技術(shù)：

圖1是現(xiàn)在市面上大部分繼電器開關(guān)所采用的電路，ACIN_L及ACIN_N輸入AC220V電壓，ACOUT_L及ACOUT_N輸出交流電壓，C4為電容降壓電容，R11為C4殘留電壓泄放電阻，R13為限流電阻，D1橋式整流，Z1穩(wěn)壓二極管EC2濾波電容，U1穩(wěn)壓IC將12V電壓穩(wěn)壓到3V提供給單片機(jī)工作電壓，Q2為繼電器驅(qū)動(dòng)晶體管，單片機(jī)的3腳輸出高電平時(shí)繼電器打開。首先，現(xiàn)有的繼電器開關(guān)待機(jī)有一定的功耗，影響開關(guān)使用壽命和能源浪費(fèi)。待機(jī)功耗取決于串聯(lián)在電容后面的Z1、U1并聯(lián)負(fù)載。由于U1及單片機(jī)U2消耗的電流小于3mＡ則剩下的電流將在Z1上消耗掉，所以消耗在Z1上待機(jī)功耗Wz=UI=12x0.032=0.38W。另外，如圖2、圖3所示的現(xiàn)有繼電器開關(guān)采用的帶容性和帶感性開關(guān)負(fù)載電路，由于繼電器開關(guān)的使用是隨機(jī)的，其打開或關(guān)閉可能會(huì)在交流電正弦波脈沖的波峰值或波谷值的附近，瞬間產(chǎn)生的較大的電流和高電壓，從而影響繼電器開關(guān)的使用壽命，繼電器觸點(diǎn)在觸發(fā)2000次左右損壞粘連。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種繼電器過零觸發(fā)開關(guān)電路，主要是通過延時(shí)檢測電路和過零檢測電路，將繼電器延時(shí)校準(zhǔn)存儲(chǔ)于U3中，單片機(jī)U2接收過零檢測電路檢測過零信號(hào)，從而控制繼電器在交流電正弦波電流脈沖的過零點(diǎn)觸發(fā)打開或關(guān)閉電路，從而減少繼電器開關(guān)的損耗，實(shí)現(xiàn)電路開關(guān)使用壽命更長，開關(guān)觸發(fā)次數(shù)可達(dá)10萬次以上。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種繼電器過零觸發(fā)開關(guān)電路，包括電路ACIN_L及ACIN_N端輸入AC220V電壓，繼電器REL1控制ACOUT_L及ACOUT_N輸出AC電壓驅(qū)動(dòng)燈或其它AC負(fù)載，其特征是，還包括降壓電路、穩(wěn)壓電路、繼電器延時(shí)校準(zhǔn)檢測電路和過零檢測電路，其中,降壓電路外接AC，降壓電路連接穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓電路連接一單片機(jī)U2，單片機(jī)U2連接控制開關(guān)SW1和LED1，單片機(jī)U2同時(shí)還連接延時(shí)校準(zhǔn)檢測電路和過零檢測電路，從而控制繼電器開關(guān)REL1過零觸發(fā)及電路輸出。

所述降壓電路包括串聯(lián)電阻（R3、R5、R10、R11）、并聯(lián)電阻（R4、R13）、串聯(lián)電阻（R3、R5、R10、R11）連接電容C4，為電路斷電后電容C4殘留電壓提供放電回路，電阻R4和R13一端連接橋式整流器D1的2腳，同時(shí)橋式整流器D1的1腳連接電容C2和共模環(huán)形電感TRAN1，電容C2和共模環(huán)形電感TRAN1組成共模抑制電路，共模環(huán)形電感TRAN1的4腳連接繼電器開關(guān)REL1的1腳，減小繼電器開關(guān)負(fù)載時(shí)脈沖噪聲對(duì)單片機(jī)控制電路的影響。

所述穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓管（Z1、Z2、Z3）、濾波電容（EC2、EC3）、電阻（R1、R2、R6、R8、R12、R14、R15、R17、R19）、NPN三極管（Q2、Q3、Q6）、PNP三極管（Q1、Q4、Q5）和穩(wěn)壓芯片U1連接組成，所述降壓電路連接繼電器開關(guān)REL1，繼電器開關(guān)REL1連接穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓電路與單片機(jī)U2相連接。Z1、EC2為繼電器打開時(shí)提供穩(wěn)定15V電壓，Z3和Q5為繼電器打開后提供10V維持電壓；Z2、EC3為模塊電路及LED指示燈等提供穩(wěn)壓3.9V電壓；EC3為低壓3.9V濾波電容，EC2為繼電器線圈電壓濾波電容減小繼電器打開時(shí)電壓的紋波。

所述繼電器延時(shí)校準(zhǔn)檢測電路由整流二極管D2、電阻R7、R22、R23、電容C6、NPN三極管Q8連接組成，所述繼電器延時(shí)校準(zhǔn)檢測電路還通過單片機(jī)U2連接一存儲(chǔ)芯片U3，用于存儲(chǔ)繼電器開關(guān)延時(shí)時(shí)序參數(shù)，存儲(chǔ)芯片U3同時(shí)還連接單片機(jī)U2。

所述過零檢測電路由整流二極管D3、電阻（R18、R20、R21）、電容C5、NPN三極管Q7連接組成，過零檢測電路檢測輸入AC交流正弦波上半周信號(hào)轉(zhuǎn)變成低壓電壓脈沖信號(hào)，過零檢測電路同時(shí)連接單片機(jī)U2，反饋過零信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制繼電器開關(guān)REL1過零觸發(fā)。

利用本發(fā)明設(shè)計(jì)的繼電器過零觸發(fā)開關(guān)電路，有效地減少繼電器開關(guān)的發(fā)熱和損耗，延長繼電器的使用壽命，傳統(tǒng)電路繼電器開關(guān)在2000次左右即觸點(diǎn)基本損壞，而本發(fā)明的過零觸發(fā)控制電路，實(shí)現(xiàn)繼電器開關(guān)使用可達(dá)到10萬次以上；由于繼電器在過零點(diǎn)打開，減少了對(duì)負(fù)載用電器的沖擊，同時(shí)減少大電流脈沖及電磁干擾對(duì)電網(wǎng)的污染；利用高于繼電器工作電壓加速打開繼電器減少繼電器觸點(diǎn)在打開時(shí)產(chǎn)生振蕩延長了繼電器觸點(diǎn)壽命；較工作電壓低的繼電器維持電壓有效地降低了繼電器在打開時(shí)本體線圈的功耗及發(fā)熱；串聯(lián)式穩(wěn)壓待機(jī)功耗小器件發(fā)熱溫升小，220VAC/50Hz時(shí)待機(jī)功耗計(jì)算：容抗Z=1/(2∏fc)=1/(2x3.14x50x0.47x10-6)=6.78Kohm提供電流I= U/R=220/6.78=32mA;因?yàn)榇龣C(jī)時(shí)Q1在導(dǎo)通狀態(tài)Z1兩端電壓為零不消耗功率，所以消耗在Z2上的總待機(jī)功耗約Wz=UI=3.9x0.032=0.125W；實(shí)測在0.12~0.14W范圍內(nèi)；由于Z2兩端的電壓低所以轉(zhuǎn)換成的熱量也低溫升也就很小，實(shí)測溫升在5度左右(長時(shí)間工作2小時(shí)后比環(huán)境溫度高5度)；整機(jī)待機(jī)功耗儀器實(shí)測在0.3~0.5W。不易燒殘留電壓泄放電阻，C4殘留電壓泄放電阻由三個(gè)電阻R5、R10、R11串聯(lián)，正常工作時(shí)三個(gè)電阻端電壓220x1.41-4.3x1.41≈304V，這個(gè)電壓落在R5兩端為39V、R10兩端為86V、R11兩端為178V，由三個(gè)電阻分配了壓降所以不易因端電壓高而產(chǎn)生打火燒壞。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有傳統(tǒng)繼電器開關(guān)電路圖。

圖2為現(xiàn)有傳統(tǒng)繼電器開關(guān)電路帶容性負(fù)載等效電路。

圖3為現(xiàn)有傳統(tǒng)繼電器開關(guān)電路帶感性負(fù)載等效電路。

圖4為本繼電器過零觸發(fā)開關(guān)電路。

圖5為繼電器延時(shí)校準(zhǔn)及繼電器正常工作時(shí)打開和關(guān)閉時(shí)序信號(hào)輸出圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

請(qǐng)參照附圖4、圖5，一種繼電器過零觸發(fā)開關(guān)電路，包括電路ACIN_L及ACIN_N端輸入AC220V電壓，繼電器REL1控制ACOUT_L及ACOUT_N輸出AC電壓驅(qū)動(dòng)燈或其它AC負(fù)載，其特征是，還包括降壓電路、穩(wěn)壓電路、繼電器延時(shí)校準(zhǔn)檢測電路和過零檢測電路，其中,降壓電路外接AC，降壓電路連接穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓電路連接一單片機(jī)U2，單片機(jī)U2連接控制開關(guān)SW1和LED1，單片機(jī)U2同時(shí)還連接繼電器延時(shí)校準(zhǔn)檢測電路和過零檢測電路，從而控制繼電器開關(guān)REL1過零觸發(fā)及電路輸出。

降壓電路包括串聯(lián)電阻（R3、R5、R10、R11）、并聯(lián)電阻（R4、R13）、串聯(lián)電阻（R3、R5、R10、R11）連接電容C4，為電路斷電后電容C4殘留電壓提供放電回路，電阻R4和R13一端連接橋式整流器D1的2腳，同時(shí)橋式整流器D1的1腳連接電容C2和共模環(huán)形電感TRAN1，電容C2和共模環(huán)形電感TRAN1組成共模抑制電路，共模環(huán)形電感TRAN1的4腳連接繼電器開關(guān)REL1的1腳，減小繼電器開關(guān)負(fù)載時(shí)脈沖噪聲對(duì)單片機(jī)U2控制電路的影響。

穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓管（Z1、Z2、Z3）、濾波電容（EC2、EC3）、電阻（R1、R2、R6、R8、R12、R14、R15、R17、R19）、NPN三極管（Q2、Q3、Q6）、PNP三極管（Q1、Q4、Q5）和穩(wěn)壓芯片U1連接組成，所述降壓電路連接繼電器開關(guān)REL1，繼電器開關(guān)REL1連接穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓電路與單片機(jī)U2相連接。Z1、EC2為繼電器打開時(shí)提供穩(wěn)定15V電壓；Z3和Q5等為繼電器打開后提供10V維持電壓；Z2、EC3為模塊電路及LED指示燈等提供穩(wěn)壓3.9V電壓；EC3為低壓3.9V濾波電容，EC2為繼電器線圈電壓濾波電容減小繼電器打開時(shí)電壓的紋波。

繼電器延時(shí)校準(zhǔn)檢測電路由整流二極管D2、電阻R7、R22、R23、電容C6、NPN三極管Q8連接組成，所述繼電器延時(shí)校準(zhǔn)檢測電路還通過單片機(jī)U2連接一存儲(chǔ)芯片U3，用于存儲(chǔ)繼電器開關(guān)延時(shí)時(shí)序參數(shù)，存儲(chǔ)芯片U3同時(shí)還連接單片機(jī)U2。

過零檢測電路由整流二極管D3、電阻（R18、R20、R21）、電容C5、NPN三極管Q7連接組成，C5為過零信號(hào)濾波電容濾除交流電壓中的雜波信號(hào)減少外來脈沖對(duì)過零檢測電路的干擾。過零檢測電路檢測輸入AC交流正弦波上半周信號(hào)轉(zhuǎn)變成低壓電壓脈沖信號(hào)，過零檢測電路同時(shí)連接單片機(jī)U2，反饋過零信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制繼電器開關(guān)REL1過零觸發(fā)。

由于繼電器生產(chǎn)工藝及結(jié)構(gòu)部件及線圈導(dǎo)磁鐵芯的差異，當(dāng)給繼電器線圈施加15V工作電壓到觸點(diǎn)打開會(huì)有一段延時(shí)，這段延時(shí)時(shí)間個(gè)體之間的差異經(jīng)測試在2～5mS范圍內(nèi)(使用100只型號(hào)GQ-SH-112L型號(hào)測試)；當(dāng)繼電器在打開狀態(tài)下撤消線圈電壓由于磁場的遲滯效應(yīng)觸點(diǎn)并不會(huì)馬上斷開，而是存在一段時(shí)間的延時(shí)，這段延時(shí)個(gè)體之間的差異在1.2～2mS范圍內(nèi)(使用100只型號(hào)GQ-SH-112L型號(hào)測試)；因?yàn)?0Hz正弦波的1/4周期只有5mS，5mS正弦電壓從0V上升到310V，1mS的電壓上升斜率達(dá)到62V，可見要實(shí)現(xiàn)過零打開及過零關(guān)閉需要把這個(gè)時(shí)間誤差控制在0.2mS內(nèi)；因?yàn)橥粋€(gè)繼電器打開及關(guān)閉延時(shí)在線圈電壓相同的情況下變化及小，經(jīng)10萬次機(jī)械老化測試誤差小于0.02mS，經(jīng)溫試-20～85攝氏度測試誤差小于0.05mS，經(jīng)上面測試同一個(gè)繼電器打開及關(guān)閉延時(shí)時(shí)間是固定的誤差極小，因?yàn)槔^電器個(gè)體之間差異大但本體差異小所以通過延時(shí)檢測，只需要生產(chǎn)時(shí)校準(zhǔn)一次并將校準(zhǔn)后參數(shù)存儲(chǔ)起來即可。

參照附圖4、圖5，過零校準(zhǔn)原理，通過過零檢測信號(hào)Z_DET取正弦波的正半波中間給驅(qū)動(dòng)信號(hào)讓繼電器打開，再通過反饋信號(hào)LO_FB電壓的下降沿判斷時(shí)間計(jì)T0即為繼電器的打開延時(shí)；關(guān)閉延時(shí)判斷是一樣的取正弦波的正半波中間撤消驅(qū)動(dòng)信號(hào)讓繼電器關(guān)閉，再通過反饋信號(hào)LO_FB電壓的上升沿判斷時(shí)間計(jì)T1即為繼電器的關(guān)閉延時(shí)。繼電器打開關(guān)閉時(shí)序：首先通過過零信號(hào)Z_DET檢測一個(gè)完整的高電平脈沖計(jì)時(shí)間T2(50Hz時(shí)約為10mS而60Hz時(shí)為8.4mS單片機(jī)會(huì)自動(dòng)適應(yīng))，當(dāng)要打開繼電器時(shí)單片機(jī)在過零脈沖的上升沿開始計(jì)時(shí)當(dāng)這個(gè)時(shí)間等于T2-T0(設(shè)T2為10mS，T0通過校準(zhǔn)后為3mS則在過零脈沖的上升沿開始的的7mS處打開)時(shí)打開則輸出正好落在過零點(diǎn)；關(guān)閉時(shí)為T2-T1則關(guān)閉負(fù)載正好在過零點(diǎn)切斷電源；如果使用不同品牌的繼電器可能會(huì)存在T0大于T2的情況，這時(shí)單片機(jī)會(huì)自動(dòng)提前一個(gè)周期，即從前一個(gè)下降沿開始計(jì)時(shí)用2xT2-T0。

繼電器加速打開時(shí)序：單片機(jī)的12腳輸出低電平Q1截止Q2截止，Z1及EC2兩端開始建立15V直流電壓[50-100mS內(nèi)(視輸入交流電壓的高低而變化)Z1及EC2兩端電壓上升到穩(wěn)定的15V]；150mS后單片機(jī)的6腳輸出高電平(6腳輸出遵守過零觸發(fā)打開時(shí)序)Q3導(dǎo)通Q2導(dǎo)通繼電器線圈以高于工作電壓加速打開(繼電器標(biāo)稱工作電壓為12V)；繼電器打開維持150mS后單片機(jī)U2的第5腳輸出高電平，Q6導(dǎo)通Q5導(dǎo)通繼電器線圈電壓降到10V以維持繼電器打開，低的維持電壓有利于減少繼電器發(fā)熱，提高繼電器壽命。

繼電器關(guān)閉過程：單片機(jī)的6腳輸出低電平(6腳輸出遵守過零觸發(fā)關(guān)閉時(shí)序)Q3、Q2截止繼電器線圈失去電壓繼電器關(guān)閉，單片機(jī)第12腳輸出高電平Q1、Q2導(dǎo)通，Z1、EC2兩端失去電壓，降低整機(jī)待機(jī)功耗。

本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。而對(duì)于屬于本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。