本實(shí)用新型涉及一種交流電網(wǎng)下延長(zhǎng)繼電器壽命的電路。

背景技術(shù)：

在智能家居、移動(dòng)家用電器等智能控制技術(shù)中，最關(guān)鍵的控制之一就是對(duì)不同性質(zhì)負(fù)載(如容性、感性負(fù)載)及不同功率負(fù)載(如大功率、小功率負(fù)載)的開(kāi)斷控制。由于容性負(fù)載或者冷態(tài)的白熾燈等負(fù)載在啟動(dòng)時(shí)的瞬間電阻值非常低，因此在控制負(fù)載接通的瞬間，電源會(huì)產(chǎn)生近似短路的現(xiàn)象，其瞬間的沖擊電流是正常工作時(shí)的10倍甚至100倍，這種大電流如果通過(guò)繼電器的觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生很大的熱量直接燒壞觸點(diǎn)，造成繼電器觸點(diǎn)粘連，縮短繼電器的壽命。所以通常采用過(guò)零控制的方式來(lái)減少?zèng)_擊電流來(lái)延長(zhǎng)繼電器的壽命。

然而，目前的繼電器過(guò)零控制電路大多存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、體積較大、繼電器使用壽命不長(zhǎng)和不夠可靠的缺陷，難以滿(mǎn)足用戶(hù)的高使用要求。因此，有必要進(jìn)一步改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的旨在提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、性能優(yōu)異、制造成本低、易生產(chǎn)、易實(shí)現(xiàn)、安全可靠且使用壽命長(zhǎng)的交流電網(wǎng)下延長(zhǎng)繼電器壽命的電路，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處。

按此目的設(shè)計(jì)的一種交流電網(wǎng)下延長(zhǎng)繼電器壽命的電路，包括電網(wǎng)頻率采集電路、MCU和繼電器驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于：電網(wǎng)頻率采集電路的輸出端與MCU的輸入端連接，繼電器驅(qū)動(dòng)電路的輸入端與MCU的輸出端連接，電網(wǎng)頻率采集電路的輸入端為交流電輸入端。

所述電網(wǎng)頻率采集電路包括R9電阻、D10二極管、U3光耦、D11二極管、R8電阻、R10電阻和C6電容；其中，R9電阻一端與L線連接，另一端與D10二極管一端連接，D10二極管另一端分別與D11二極管一端、U3光耦一次回路的第一端連接，D11二極管另一端分別與U3光耦一次回路的第二端、N線連接，U3光耦一次回路的第三端與地線連接，U3光耦一次回路的第四端分別與R8電阻一端、R10電阻一端連接，R8電阻另一端與5V電源連接，R10電阻另一端分別與C6電容一端、MCU的輸入端連接，C6電容另一端與地線連接。

所述電網(wǎng)頻率采集電路包括R9’電阻、D11’二極管、C4’電容、Q2’三極管、C6’電容、R8’電阻和R10’電阻；其中，R9’電阻一端與L’線連接，另一端分別與D11’二極管一端、C4’電容一端、Q2’三極管第一端連接，D11’二極管另一端分別與N’線、C4’電容另一端、Q2’三極管第二端、地線、C6’電容一端連接，Q2’三極管第三端分別與R8’電阻一端、R10’電阻一端連接，R8’電阻另一端與+5V電源連接，R10’電阻另一端分別與MCU的輸入端、C6電容另一端連接。

所述繼電器驅(qū)動(dòng)電路包括R18電阻、Q2三極管、D17二極管、ZD2穩(wěn)壓管和RY2繼電器；其中，R18電阻一端與MCU的輸出端連接，另一端與Q2三極管第一端連接，Q2三極管第二端分別與D17二極管一端、RY2繼電器一端連接，D17二極管另一端與ZD2穩(wěn)壓管一端連接，ZD2穩(wěn)壓管另一端分別12V電源、RY2繼電器另一端連接。

還包括MCU防死機(jī)電路，該MCU防死機(jī)電路包括R25電阻、C8電容、R24電阻、Q7三極管、R28電阻、EC8貼片電容、R29電阻、R31電阻和Q8三極管；其中，R25電阻一端與MCU的輸出端連接，另一端與C8電容一端連接，C8電容另一端分別與R24電阻一端、Q7三極管第一端連接，R24電阻另一端分別5V電源、Q7三極管第二端連接，Q7三極管第三端與R28電阻一端連接，R28電阻另一端分別與EC8貼片電容正極、R29電阻一端連接，EC8貼片電容負(fù)極分別與R31電阻一端、Q8三極管第一端、地線連接，R29電阻另一端分別與R31電阻另一端、Q8三極管第二端連接，Q8三極管第三端與Q2三極管第三端連接。

本實(shí)用新型通過(guò)上述結(jié)構(gòu)的改良，利用電網(wǎng)頻率采集電路將交流電網(wǎng)電壓的轉(zhuǎn)換為高低電平，通過(guò)MCU的輸入端口讀取該高低電平確定電網(wǎng)頻率，計(jì)算出下一次交流電網(wǎng)的過(guò)零點(diǎn)，當(dāng)需要在該點(diǎn)開(kāi)啟或關(guān)閉繼電器時(shí)，MCU確定時(shí)差后可計(jì)算出需要在某一時(shí)間點(diǎn)開(kāi)啟或關(guān)閉繼電器，使繼電器觸點(diǎn)在閉合或釋放瞬間達(dá)到零電壓點(diǎn)吸合或釋放，實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)消弧，達(dá)到延長(zhǎng)繼電器壽命的目的。

其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)通過(guò)精準(zhǔn)零電壓點(diǎn)動(dòng)作，避免觸點(diǎn)拉弧的高溫?fù)p耗，可將繼電器壽命延長(zhǎng)至6倍以上。

(2)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，軟件處理起來(lái)簡(jiǎn)單方便，邏輯清晰，巧妙的通過(guò)軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。

(3)該電路通俗易懂，能夠很好地被設(shè)計(jì)者掌握并應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中。

綜合而言，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、性能優(yōu)異、制造成本低、易生產(chǎn)、易實(shí)現(xiàn)、安全可靠且使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，實(shí)用性強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型第一實(shí)施例的總電路原理圖。

圖2為本實(shí)用新型第一實(shí)施例的電網(wǎng)頻率采集電路原理圖。

圖3為本實(shí)用新型第一實(shí)施例的繼電器驅(qū)動(dòng)電路原理圖。

圖4為本實(shí)用新型第一實(shí)施例的MCU防死機(jī)電路原理圖。

圖5為本實(shí)用新型第一實(shí)施例的電網(wǎng)頻率采集電路波形分析及軟件測(cè)量電網(wǎng)頻率示意圖。

圖6、圖7為本實(shí)用新型第一實(shí)施例的軟件控制繼電器示意圖。

圖8為本實(shí)用新型第二實(shí)施例的電網(wǎng)頻率采集電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。

第一實(shí)施例

參見(jiàn)圖1-圖7，本交流電網(wǎng)下延長(zhǎng)繼電器壽命的電路，包括電網(wǎng)頻率采集電路、MCU和繼電器驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于：電網(wǎng)頻率采集電路的輸出端與MCU的輸入端連接，繼電器驅(qū)動(dòng)電路的輸入端與MCU的輸出端連接，電網(wǎng)頻率采集電路的輸入端為交流電輸入端。

由電網(wǎng)頻率采集電路測(cè)得頻率，實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)零電壓點(diǎn)開(kāi)啟和關(guān)閉繼電器，通過(guò)特有電路加快繼電器的釋放時(shí)間，減少誤差，結(jié)合軟件算法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)零電壓點(diǎn)斷開(kāi)觸點(diǎn)，有效避免大部分的電弧損耗。

進(jìn)一步地講，如圖2所示，電網(wǎng)頻率采集電路包括R9電阻、D10二極管、U3光耦、D11二極管、R8電阻、R10電阻和C6電容；其中，R9電阻一端與L線連接，另一端與D10二極管一端連接，D10二極管另一端分別與D11二極管一端、U3光耦一次回路的第一端連接，D11二極管另一端分別與U3光耦一次回路的第二端、N線連接，U3光耦一次回路的第三端與地線連接，U3光耦一次回路的第四端分別與R8電阻一端、R10電阻一端連接，R8電阻另一端與5V電源連接，R10電阻另一端分別與C6電容一端、MCU的輸入端連接，C6電容另一端與地線連接。

其中，電網(wǎng)頻率采集電路的目的為將電網(wǎng)正弦波，由D10二極管、D11二極管進(jìn)行半波整流，D10二極管、D11用于保護(hù)光耦不被反向高壓擊穿，并經(jīng)過(guò)U3光耦隔離及上拉R8電阻、R10電阻，整形為高低電平的方波，再經(jīng)過(guò)C6電容濾波后輸出至MCU進(jìn)行測(cè)量。

進(jìn)一步地講，如圖3所示，繼電器驅(qū)動(dòng)電路包括R18電阻、Q2三極管、D17二極管、ZD2穩(wěn)壓管和RY2繼電器；其中，R18電阻一端與MCU的輸出端連接，另一端與Q2三極管第一端連接，Q2三極管第二端分別與D17二極管一端、RY2繼電器一端連接，D17二極管另一端與ZD2穩(wěn)壓管一端連接，ZD2穩(wěn)壓管另一端分別12V電源、RY2繼電器另一端連接。

其中，繼電器驅(qū)動(dòng)電路采用12V供電，利用D17二極管、ZD2穩(wěn)壓管及RY2繼電器組成一個(gè)閉合的續(xù)流回路；當(dāng)繼電器觸點(diǎn)釋放時(shí)，RY2繼電器的線圈和鐵芯所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，被ZD2穩(wěn)壓管阻斷在一個(gè)較高的電壓點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷繼電器，縮小了繼電器之間觸點(diǎn)釋放的固有誤差。其中ZD2穩(wěn)壓管起到快速釋放、加快斷開(kāi)繼電器觸點(diǎn)的作用，使量產(chǎn)時(shí)繼電器的釋放時(shí)間在500us的誤差范圍內(nèi)(如2.1ms-2.6ms)，R18限流電阻和Q2三極管組成開(kāi)關(guān)電路控制繼電器。

具體地講，還包括MCU防死機(jī)電路，如圖4所示，該MCU防死機(jī)電路包括R25電阻、C8電容、R24電阻、Q7三極管、R28電阻、EC8貼片電容、R29電阻、R31電阻和Q8三極管；其中，R25電阻一端與MCU的輸出端連接，另一端與C8電容一端連接，C8電容另一端分別與R24電阻一端、Q7三極管第一端連接，R24電阻另一端分別5V電源、Q7三極管第二端連接，Q7三極管第三端與R28電阻一端連接，R28電阻另一端分別與EC8貼片電容正極、R29電阻一端連接，EC8貼片電容負(fù)極分別與R31電阻一端、Q8三極管第一端、地線連接，R29電阻另一端分別與R31電阻另一端、Q8三極管第二端連接，Q8三極管第三端與Q2三極管第三端連接。

其中，MCU防死機(jī)電路是為了防止MCU突然死機(jī)，無(wú)法斷開(kāi)繼電器而應(yīng)用，該電路由MCU產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)R25電阻，被C8電容隔直通交后，可有效防止因MCU死機(jī)造成負(fù)載誤加熱的可能。5V電源經(jīng)過(guò)Q7三極管、R28電阻后對(duì)EC8貼片電容進(jìn)行充電，使其維持一定的電壓供Q8三極管導(dǎo)通。該MCU防死機(jī)電路為輔助電路，對(duì)于一些無(wú)特殊要求的場(chǎng)合，此部分電路可省略，可直接將繼電器驅(qū)動(dòng)電路中的Q2三極管直接接地。

在上述交流電網(wǎng)下延長(zhǎng)繼電器壽命的電路基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件處理方法完成零電壓點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)滅弧，從而達(dá)到延長(zhǎng)繼電器壽命的目的。

具體地講，對(duì)于一個(gè)常開(kāi)型的繼電器，觸點(diǎn)在吸合時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)加速運(yùn)動(dòng)到靜觸點(diǎn)，到達(dá)靜觸點(diǎn)時(shí)，速度最高，肉眼很難分辨，觸點(diǎn)產(chǎn)生的拉弧時(shí)間短，對(duì)觸點(diǎn)傷害較小。觸點(diǎn)在斷開(kāi)時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)從靜止?fàn)顟B(tài)慢慢運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)離靜觸點(diǎn)，此時(shí)觸點(diǎn)間長(zhǎng)時(shí)間保持較小距離，產(chǎn)生較大電弧現(xiàn)象，消除該電弧，可大大提高繼電器的壽命。利用該軟件處理方法能實(shí)時(shí)獲取電網(wǎng)頻率，不受電網(wǎng)頻率或電壓的波動(dòng)而影響測(cè)量結(jié)果，采集到的電網(wǎng)頻率信息能夠準(zhǔn)確的用于繼電器的控制，實(shí)現(xiàn)零電壓點(diǎn)開(kāi)啟和關(guān)閉繼電器。

進(jìn)一步地講，如圖5所示，MCU端口以固定的時(shí)間間隔讀取該口的狀態(tài)，該時(shí)間間隔通常在微秒級(jí)，越小越精準(zhǔn)，但會(huì)占用MCU時(shí)序的資源，以50微秒為例，通過(guò)讀取連續(xù)的高電平和低電平的次數(shù)和，可以獲知電網(wǎng)頻率。

具體地講，

軟件處理實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)壓點(diǎn)關(guān)斷：

如圖6，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)高電平到來(lái)時(shí)，可知道還有一個(gè)固定的時(shí)間將會(huì)到達(dá)過(guò)零點(diǎn)，將該固定的時(shí)間減去繼電器的釋放時(shí)間中值(如2.1ms-2.6ms，取2.35)可知，再經(jīng)過(guò)多少次時(shí)間間隔后可執(zhí)行斷開(kāi)繼電器的命令，實(shí)現(xiàn)零電壓點(diǎn)關(guān)斷繼電器，使觸點(diǎn)避免高壓拉弧損耗，延長(zhǎng)繼電器的壽命次數(shù)。

舉例如下：

以50us時(shí)間間隔進(jìn)行端口掃描，共掃描到202個(gè)連續(xù)高電平和198個(gè)連續(xù)底電平，可知電網(wǎng)周期為(202+198)*50us＝20000us，即20ms；根據(jù)電網(wǎng)頻率采集電路可知，第一次高電平到第二次零電壓點(diǎn)的時(shí)間可根據(jù)圖6得知，該時(shí)間

T1＝[(高電平)/2+(電網(wǎng)周期)]/4

＝[(202次高電平)/2+(電網(wǎng)周期)]/4

＝[(202次高電平)/2+(202次高電平+198次低電平)]/4

＝[3*(202次高電平)+(198次高電平)]/4

＝[3*(202*50)+(198*50)]/4

＝10050us

＝10.05ms

T1減去繼電器的釋放時(shí)間中值2.35ms，即10.05ms-2.35ms＝7.7ms，7.7ms/50us＝154次。

即從第一次高電平開(kāi)始連續(xù)計(jì)算到154次時(shí)，執(zhí)行釋放繼電器的命令，如圖7所示。

軟件處理實(shí)現(xiàn)零電壓點(diǎn)附近吸合：

由于繼電器的吸合存在一定誤差范圍,取消吸合時(shí)間中值(如4.5ms-6.5ms，取5.25ms)，參考繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)的方法，找到繼電器吸合的時(shí)間點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)零電壓點(diǎn)附近吸合繼電器，減少拉弧損耗，延長(zhǎng)繼電器的壽命次數(shù)。

第二實(shí)施例

參見(jiàn)圖8，本交流電網(wǎng)下延長(zhǎng)繼電器壽命的電路，其不同于第一實(shí)施例之處在于：電網(wǎng)頻率采集電路可使用替換電路實(shí)現(xiàn)該功能，組成一組非隔離式的電網(wǎng)頻率采集電路。

具體地講，電網(wǎng)頻率采集電路包括R9’電阻、D11’二極管、C4’電容、Q2’三極管、C6’電容、R8’電阻和R10’電阻；其中，R9’電阻一端與L’線連接，另一端分別與D11’二極管一端、C4’電容一端、Q2’三極管第一端連接，D11’二極管另一端分別與N’線、C4’電容另一端、Q2’三極管第二端、地線、C6’電容一端連接，Q2’三極管第三端分別與R8’電阻一端、R10’電阻一端連接，R8’電阻另一端與+5V電源連接，R10’電阻另一端分別與MCU的輸入端、C6電容另一端連接。

其它未述部分同第一實(shí)施例。

以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理、主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該了解本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下本實(shí)用新型還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等同物界定。