專利名稱：一種驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的開關(guān)器件的開閉控制方法及電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電器領(lǐng)域，特別是一種驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的開關(guān)器件的開閉控制方法及電路。
背景技術(shù)：
在家用電器、工業(yè)用各種機(jī)械電器設(shè)備等電子電器設(shè)備中，都需要由低電壓、小電流的電子開關(guān)器件來控制高電壓、大電流的電子負(fù)載。開關(guān)器件如電磁繼電器、半導(dǎo)體繼電器等。它們的控制端通常由MCU直接連接控制或者M(jìn)CU連接三極管等驅(qū)動(dòng)回路來驅(qū)動(dòng)，控制電流一般為12V，或者5V等DC電壓，電流為幾十毫安不等。驅(qū)動(dòng)負(fù)載端通常為220V/380V，50Hz/60Hz的交流電壓。該類交流開關(guān)器件的負(fù)載多數(shù)是電感類器件，如空調(diào)器的AC風(fēng)扇馬達(dá)，四通閥等等。在連通或者斷開的瞬間產(chǎn)生高于正常電壓數(shù)倍的感應(yīng)電動(dòng)勢，對(duì)交流回路里的電子器件造成極大的破壞。這時(shí)交流開關(guān)器件必須考慮到對(duì)破壞閥值足夠的余量，因此交流開關(guān)器件的設(shè)計(jì)值必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常使用值，增加了回路的整體成本。比如空調(diào)里四通閥負(fù)載電流為0.2A的回路，但是使用的開關(guān)器件電流規(guī)格值為3A。同時(shí)，誘導(dǎo)電壓的存在會(huì)對(duì)開關(guān)器件產(chǎn)生惡劣的影響。交流開關(guān)器件中的半導(dǎo)體類開關(guān)器件，在交流電壓的非零點(diǎn)開斷，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)電動(dòng)勢，達(dá)到很高的電壓、電流變化率(dV/dt、dl/dt)，從而破壞半導(dǎo)體器件，或者減小其使用壽命，降低可靠性。交流開關(guān)器件中的電磁繼電器開閉時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生電弧，電弧不僅會(huì)產(chǎn)生臭氧，吸引昆蟲及破壞零件，還會(huì)降低繼電器觸點(diǎn)的使用壽命及可靠性；而市場電網(wǎng)電壓等情況復(fù)雜，如何選擇余量仍有風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)上述問題，本領(lǐng)域技術(shù)人員進(jìn)行了很多方面的嘗試和研究改進(jìn)?，F(xiàn)在解決方法基本集中在以下幾個(gè)方面:提高開關(guān)器件最大可承受的電壓、電流值；機(jī)械型開關(guān)器件外殼打開一個(gè)供臭氧消散的孔洞；開關(guān)器件并聯(lián)或串聯(lián)用于消除浪涌電壓、電流的電子元器件，如CR (減弧器)等；提高半導(dǎo)體開關(guān)器件的可承受電壓變化率(dV/dt)、電流變化率(dl/dt)。但是，上述解決方案存在以下缺點(diǎn):提高開關(guān)器件最大可承受的電壓、電流值，增加硬件回路成本，且不能完全保證風(fēng)險(xiǎn)余量；機(jī)械型開關(guān)器件打開的空洞由于臭氧存在，吸引昆蟲前來，會(huì)破壞器件的電氣或者機(jī)械性能；開關(guān)器件連接消除浪涌電流、浪涌電壓的電子元器件，增加硬件成本，且增加的電子器件會(huì)增加新的不良率發(fā)生；較高的電壓變化率和電流變化率不僅會(huì)降低半導(dǎo)體開關(guān)器件的使用壽命，還會(huì)產(chǎn)生EMC (電磁兼容性)風(fēng)險(xiǎn)；機(jī)械型開關(guān)器件產(chǎn)生電弧，引起火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，電弧產(chǎn)生的臭氧還會(huì)進(jìn)一步腐蝕開關(guān)器件，降低器件使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的開關(guān)器件的開閉控制方法，其能從根本上解決了開關(guān)器件開閉時(shí)的產(chǎn)生電弧、浪涌電壓、浪涌電流等有害因素的問題。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種實(shí)現(xiàn)上述方法的驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的開關(guān)器件的開閉控制電路。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的開關(guān)器件的開閉控制方法，其特征在于:在AC交流輸入電源和主控芯片MCU之間連接有過零檢知回路，過零檢知回路對(duì)AC交流輸入電源進(jìn)行檢測，產(chǎn)生信號(hào)并傳遞給主控芯片MCU ;主控芯片MCU根據(jù)過零檢知回路提供的信號(hào)，通過開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路控制交流負(fù)載開關(guān)器件在電壓過零點(diǎn)時(shí)開閉。所述的主控芯片MCU根據(jù)過零檢知回路發(fā)出的信號(hào)，并疊加開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路延時(shí)情況、交流負(fù)載開關(guān)器件開閉延時(shí)情況，決定發(fā)出指令的時(shí)間，使交流負(fù)載開關(guān)器件在交流電壓的過零點(diǎn)開閉。所述過零點(diǎn)的檢知方法是:過零檢知回路采用數(shù)字低通濾波器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波，再進(jìn)行線性插值提取電壓零點(diǎn)；或者，利用光電轉(zhuǎn)換特性，主控芯片MCU檢測整形后梯形波信號(hào)的前后沿對(duì)應(yīng)時(shí)間，計(jì)算得出過零點(diǎn)的時(shí)刻；或者，過零檢知回路采用光耦在交流電壓接近過零點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，主控芯片MCU根據(jù)脈沖信號(hào)推算過零點(diǎn)時(shí)刻。一種驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的開關(guān)器件的開閉控制電路，其特征在于包括:AC交流輸入電源；過零檢知回路，對(duì)AC交流輸入電源進(jìn)行檢測，產(chǎn)生過零信號(hào)；主控芯片MCU，根據(jù)過零檢知回路提供的過零信號(hào)發(fā)出指令；開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路，接收主控芯片MCU的指令并控制下述交流負(fù)載開關(guān)器件的開閉；交流負(fù)載開關(guān)器件，根據(jù)開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)控制AC交流輸入電源與AC電源負(fù)載模塊之間的通斷。所述的交流負(fù)載開關(guān)器件選自為機(jī)械繼電器、固態(tài)繼電器或可控硅半導(dǎo)體型繼電器。所述的過零檢知回路包括有單向光耦PC3，其一次側(cè)通過兩個(gè)電阻Rl和R2連接到AC交流輸入電源上，其二次側(cè)分別和電源的5V、主控芯片MCU相連；當(dāng)一次側(cè)的電流值達(dá)到單向光耦PC3動(dòng)作的閥值時(shí)，單向光耦PC3動(dòng)作，二次側(cè)的內(nèi)部三極管導(dǎo)通，向主控芯片MCU提供一個(gè)5V幅值的脈沖信號(hào)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):①能最大程度降低機(jī)械開關(guān)器件開閉時(shí)的電弧，杜絕電弧帶來的安全隱患及電弧產(chǎn)生臭氧帶來的腐蝕作用；②降低了開關(guān)器件為對(duì)應(yīng)浪涌電流、浪涌電壓而不得不提高的器件的最大電流、電壓值，有效降低器件成本；③杜絕了浪涌電流、電壓在感應(yīng)負(fù)載上面產(chǎn)生的強(qiáng)大感應(yīng)電動(dòng)勢對(duì)系統(tǒng)的破壞；④解決半導(dǎo)體型開關(guān)器件對(duì)電壓變化率、電流變化率(dV/dt、dl/dt)的較高要求，提高半導(dǎo)體器件的可靠性，降低半導(dǎo)體開關(guān)器件外圍電路的成本。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用在需要驅(qū)動(dòng)交流開關(guān)器件的的家用甚至工業(yè)用途的電器設(shè)備上，對(duì)電器的安全可靠性、安全性等具有相當(dāng)?shù)囊饬x。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明中AC交流輸入電源、過零檢知回路、主控芯片MCU、交流負(fù)載開關(guān)器件對(duì)應(yīng)的電壓波形圖3是本發(fā)明的實(shí)施電路圖。
具體實(shí)施例方式如圖1、圖2所示，本發(fā)明是一種驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的開關(guān)器件的開閉控制方法，其在AC交流輸入電源I和主控芯片MCU4之間連接有過零檢知回路8，通過過零檢知回路8對(duì)AC交流輸入電源I進(jìn)行檢測，產(chǎn)生信號(hào)并傳給主控芯片MCU4 ;主控芯片MCU4根據(jù)過零檢知回路8提供的信號(hào)通過開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路5、6、7分別控制交流負(fù)載開關(guān)器件12、13、14在過零點(diǎn)時(shí)開閉，從根本上解決了開關(guān)器件開閉時(shí)的電弧、浪涌電壓、浪涌電流等有害因素的產(chǎn)生。過零點(diǎn)的檢知方法為現(xiàn)有技術(shù)，例如2012年第02期《儀表技術(shù)與傳感器》公開的《交流電源過零點(diǎn)檢測新方法》、中國專利201010586260.3中均有詳細(xì)描述。在本技術(shù)方案中，可以采用的方法為:過零檢知回路8采用數(shù)字低通濾波器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波，再進(jìn)行線性插值提取電壓零點(diǎn)；或者，利用光電轉(zhuǎn)換特性，主控芯片MCU4檢測整形后梯形波信號(hào)的前后沿對(duì)應(yīng)時(shí)間，計(jì)算得出過零點(diǎn)的時(shí)刻；或者，過零檢知回路8將市電轉(zhuǎn)換為同頻同相的低壓信號(hào)，其中的光耦在交流電壓接近過零點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生脈沖，主控芯片MCU4外部中斷產(chǎn)生時(shí)刻作為過零點(diǎn)時(shí)刻。通過上述方法，過零檢知回路8通過檢測直接產(chǎn)生過零信號(hào)；或過零檢知回路8本身具有處理芯片，檢測后通過運(yùn)算產(chǎn)生過零信號(hào)；或通過過零檢知回路8檢測產(chǎn)生信號(hào)傳遞到主控芯片MCU4，再由主控芯片MCU4通過運(yùn)算產(chǎn)生過零點(diǎn)的信號(hào)。由于開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路5、6、7存在延時(shí)情況，交流負(fù)載開關(guān)器件12、13、14開閉存在延時(shí)情況，因此優(yōu)選的，主控芯片MCU4根據(jù)過零檢知回路8發(fā)出的信號(hào)，并疊加開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路5、6、7延時(shí)情況、交流負(fù)載開關(guān)器件12、13、14開閉延時(shí)情況，通過特定的運(yùn)算方法法決定發(fā)出指令的時(shí)間，使交流負(fù)載開關(guān)器件12、13、14能夠最準(zhǔn)確地在交流電壓的過零點(diǎn)開閉，效果最好。涉及的運(yùn)算方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)公知常識(shí)及不同的實(shí)際情況能夠得到的，在此不做詳細(xì)說明。實(shí)現(xiàn)上述方法的一種驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的開關(guān)器件的開閉控制電路，其包括:AC交流輸入電源I ;過零檢知回路8，對(duì)AC交流輸入電源I進(jìn)行檢測，產(chǎn)生信號(hào)并傳給主控芯片MCU4 ;主控芯片MCU4，其根據(jù)過零檢知回路8提供的信號(hào)，發(fā)出指令；開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路5、
6、7，接收主控芯片MCU4的指令并分別控制下述交流負(fù)載開關(guān)器件12、13、14的開閉；交流負(fù)載開關(guān)器件12、13、14，控制AC交流輸入電源I與AC電源負(fù)載模塊9、10、11之間的通斷。交流負(fù)載開關(guān)器件12、13、14可以選自機(jī)械繼電器、固態(tài)繼電器或可控硅半導(dǎo)體型繼電器等接通交流電源或者控制交流電源的開閉的可控型功率器件。如圖1所示，AC交流輸入電源I通過整流濾波模塊2后連接電源電路3，電源電路3提供主控芯片MCU4所需的電壓，主控芯片MCU4分別在AC電壓的過零點(diǎn)控制開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路5來控制交流負(fù)載開關(guān)器件12、通過開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路6開控制交流負(fù)載開關(guān)器件13，通過開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路7開控制交流負(fù)載開關(guān)器件14的開閉。交流負(fù)載開關(guān)器件12、
13、14的開關(guān)分別控制AC電源負(fù)載模塊9、10、11。交流電源過零檢知回路8連接AC交流輸入電源I和主控芯片MCU4 ;主控芯片MCU4根據(jù)交流電源過零檢知回路8提供的信號(hào)，開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路5、6、7的延時(shí)，交流負(fù)載開關(guān)器件12、13、14本身的延時(shí)等關(guān)聯(lián)信息，通過特定的算法，計(jì)算得出能使交流負(fù)載開關(guān)器件12、13、14在過零點(diǎn)開閉的最佳驅(qū)動(dòng)時(shí)間，從而可以控制交流負(fù)載開關(guān)器件12、13、14在過零點(diǎn)開閉。以下通過結(jié)合附圖及具體例子對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不限于此特定例子。
實(shí)施例如圖2、圖3所示，本實(shí)施例中:AC交流輸入電路I通過整流濾波模塊2后提供為電源電路3的輸入電壓。電源電路3可輸出值為5V供給主控芯片MCU4作為工作電源。本實(shí)施例的過零檢知回路8中，單向光耦PC3 —次側(cè)通過兩個(gè)電阻Rl和R2連接到AC交流輸入電路I上，以此來限制輸入光耦的最大電流值。PC3的二次側(cè)分別和電源電路3的5V、主控芯片MCU4相連。由于一次側(cè)交流電源的正弦波，RU R2、光耦PC3的電流隨著正弦波的電壓值而變化，當(dāng)電流值達(dá)到光耦PC3動(dòng)作的閥值時(shí)，光耦PC3動(dòng)作，二次側(cè)的內(nèi)部三極管導(dǎo)通、向主控芯片MCU4提供一個(gè)5V幅值的脈沖，從而使二次側(cè)每一個(gè)正弦波周期至少提供一個(gè)脈沖。主控芯片MCU4根據(jù)脈沖的周期，推測出交流電壓真正的過零點(diǎn)。開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路5包括三極管Q1、三極管Q2。交流負(fù)載開關(guān)器件12、13分別為繼電器RY1、固態(tài)繼電器SSR1。AC電源負(fù)載模塊9、10分別為兩個(gè)AC馬達(dá)。繼電器RYl的驅(qū)動(dòng)由于考慮到MCU的驅(qū)動(dòng)能力，通過三極管Ql實(shí)行，同樣道理固態(tài)繼電器SSRl的驅(qū)動(dòng)也由三極管Q2實(shí)行。本實(shí)施例中，主控芯片MCU4接收來自過零檢知回路8的信號(hào)，通過處理計(jì)算，準(zhǔn)確預(yù)測出交流電壓的過零點(diǎn)。在系統(tǒng)需要打開或者關(guān)閉AC馬達(dá)時(shí)，主控芯片MCU4根據(jù)開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路5的延時(shí)情況、繼電器RYl、固態(tài)繼電器SSRl開閉的延時(shí)情況和過零點(diǎn)的時(shí)間綜合考慮，最后決定發(fā)出指令的時(shí)間，達(dá)到繼電器、固態(tài)繼電器等功率開關(guān)器件在交流電壓的過零點(diǎn)開斷。
權(quán)利要求
1.一種驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的開關(guān)器件的開閉控制方法，其特征在于:在AC交流輸入電源和主控芯片MCU之間連接有過零檢知回路，過零檢知回路對(duì)AC交流輸入電源進(jìn)行檢測，產(chǎn)生信號(hào)并傳遞給主控芯片MCU ;主控芯片MCU根據(jù)過零檢知回路提供的信號(hào)，通過開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路控制交流負(fù)載開關(guān)器件在電壓過零點(diǎn)時(shí)開閉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的開關(guān)器件的開閉控制方法，其特征在于:所述的主控芯片MCU根據(jù)過零檢知回路發(fā)出的信號(hào)，并疊加開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路延時(shí)情況、交流負(fù)載開關(guān)器件開閉延時(shí)情況，決定發(fā)出指令的時(shí)間，使交流負(fù)載開關(guān)器件在交流電壓的過零點(diǎn)開閉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的開關(guān)器件的開閉控制方法，其特征在于:所述過零點(diǎn)的檢知方法是:過零檢知回路采用數(shù)字低通濾波器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波，再進(jìn)行線性插值提取電壓零點(diǎn)；或者，利用光電轉(zhuǎn)換特性，主控芯片MCU檢測整形后梯形波信號(hào)的前后沿對(duì)應(yīng)時(shí)間，計(jì)算得出過零點(diǎn)的時(shí)刻；或者，過零檢知回路采用光耦在交流電壓接近過零點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，主控芯片MCU根據(jù)脈沖信號(hào)推算過零點(diǎn)時(shí)刻。
4.一種驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的開關(guān)器件的開閉控制電路，其特征在于包括:AC交流輸入電源；過零檢知回路，對(duì)AC交流輸入電源進(jìn)行檢測，產(chǎn)生過零信號(hào)；主控芯片MCU，根據(jù)過零檢知回路提供的過零信號(hào)發(fā)出指令；開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路，接收主控芯片MCU的指令并控制下述交流負(fù)載開關(guān)器件的開閉；交流負(fù)載開關(guān)器件，根據(jù)開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)控制AC交流輸入電源與AC電源負(fù)載模塊之間的通斷。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的開關(guān)器件的開閉控制電路，其特征在于:所述的交流負(fù)載開關(guān)器件選自為機(jī)械繼電器、固態(tài)繼電器或可控硅半導(dǎo)體型繼電器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的開關(guān)器件的開閉控制電路，其特征在于:所述的過零檢知回路包括有單向光耦PC3，其一次側(cè)通過兩個(gè)電阻Rl和R2連接到AC交流輸入電源上，其二次側(cè)分別和電源的5V、主控芯片MCU相連；當(dāng)一次側(cè)的電流值達(dá)到單向光耦PC3動(dòng)作的閥值時(shí)，單向光耦PC3動(dòng)作，二次側(cè)的內(nèi)部三極管導(dǎo)通，向主控芯片MCU提供一個(gè)5V幅值的脈沖信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載的開關(guān)器件的開閉控制方法，其特征在于在AC交流輸入電源和主控芯片MCU之間連接有過零檢知回路，過零檢知回路對(duì)AC交流輸入電源進(jìn)行檢測，產(chǎn)生信號(hào)并傳遞給主控芯片MCU；主控芯片MCU根據(jù)過零檢知回路提供的信號(hào)，通過開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路控制交流負(fù)載開關(guān)器件在電壓過零點(diǎn)時(shí)開閉。本發(fā)明能最大程度降低機(jī)械開關(guān)器件開閉時(shí)的電??；降低開關(guān)器件成本；杜絕感應(yīng)負(fù)載產(chǎn)生強(qiáng)大感應(yīng)電動(dòng)勢對(duì)系統(tǒng)的破壞；解決半導(dǎo)體型開關(guān)器件對(duì)電壓變化率、電流變化率的較高要求。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用在需要驅(qū)動(dòng)交流開關(guān)器件的的家用甚至工業(yè)用途的電器設(shè)備上，對(duì)電器的安全可靠性、安全性等具有相當(dāng)?shù)囊饬x。
文檔編號(hào)H03K17/082GK103197579SQ20131004967
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月7日
發(fā)明者周足易, 何曉東, 梁峰 申請(qǐng)人:廣州松下空調(diào)器有限公司