一种交流电网下延长继电器寿命的电路的制作方法

本实用新型涉及一种交流电网下延长继电器寿命的电路。

背景技术：

在智能家居、移动家用电器等智能控制技术中，最关键的控制之一就是对不同性质负载(如容性、感性负载)及不同功率负载(如大功率、小功率负载)的开断控制。由于容性负载或者冷态的白炽灯等负载在启动时的瞬间电阻值非常低，因此在控制负载接通的瞬间，电源会产生近似短路的现象，其瞬间的冲击电流是正常工作时的10倍甚至100倍，这种大电流如果通过继电器的触点会产生很大的热量直接烧坏触点，造成继电器触点粘连，缩短继电器的寿命。所以通常采用过零控制的方式来减少冲击电流来延长继电器的寿命。

然而，目前的继电器过零控制电路大多存在结构复杂、成本较高、体积较大、继电器使用寿命不长和不够可靠的缺陷，难以满足用户的高使用要求。因此，有必要进一步改进。

技术实现要素：

本实用新型的目的旨在提供一种结构简单合理、性能优异、制造成本低、易生产、易实现、安全可靠且使用寿命长的交流电网下延长继电器寿命的电路，以克服现有技术中的不足之处。

按此目的设计的一种交流电网下延长继电器寿命的电路，包括电网频率采集电路、MCU和继电器驱动电路，其特征在于：电网频率采集电路的输出端与MCU的输入端连接，继电器驱动电路的输入端与MCU的输出端连接，电网频率采集电路的输入端为交流电输入端。

所述电网频率采集电路包括R9电阻、D10二极管、U3光耦、D11二极管、R8电阻、R10电阻和C6电容；其中，R9电阻一端与L线连接，另一端与D10二极管一端连接，D10二极管另一端分别与D11二极管一端、U3光耦一次回路的第一端连接，D11二极管另一端分别与U3光耦一次回路的第二端、N线连接，U3光耦一次回路的第三端与地线连接，U3光耦一次回路的第四端分别与R8电阻一端、R10电阻一端连接，R8电阻另一端与5V电源连接，R10电阻另一端分别与C6电容一端、MCU的输入端连接，C6电容另一端与地线连接。

所述电网频率采集电路包括R9’电阻、D11’二极管、C4’电容、Q2’三极管、C6’电容、R8’电阻和R10’电阻；其中，R9’电阻一端与L’线连接，另一端分别与D11’二极管一端、C4’电容一端、Q2’三极管第一端连接，D11’二极管另一端分别与N’线、C4’电容另一端、Q2’三极管第二端、地线、C6’电容一端连接，Q2’三极管第三端分别与R8’电阻一端、R10’电阻一端连接，R8’电阻另一端与+5V电源连接，R10’电阻另一端分别与MCU的输入端、C6电容另一端连接。

所述继电器驱动电路包括R18电阻、Q2三极管、D17二极管、ZD2稳压管和RY2继电器；其中，R18电阻一端与MCU的输出端连接，另一端与Q2三极管第一端连接，Q2三极管第二端分别与D17二极管一端、RY2继电器一端连接，D17二极管另一端与ZD2稳压管一端连接，ZD2稳压管另一端分别12V电源、RY2继电器另一端连接。

还包括MCU防死机电路，该MCU防死机电路包括R25电阻、C8电容、R24电阻、Q7三极管、R28电阻、EC8贴片电容、R29电阻、R31电阻和Q8三极管；其中，R25电阻一端与MCU的输出端连接，另一端与C8电容一端连接，C8电容另一端分别与R24电阻一端、Q7三极管第一端连接，R24电阻另一端分别5V电源、Q7三极管第二端连接，Q7三极管第三端与R28电阻一端连接，R28电阻另一端分别与EC8贴片电容正极、R29电阻一端连接，EC8贴片电容负极分别与R31电阻一端、Q8三极管第一端、地线连接，R29电阻另一端分别与R31电阻另一端、Q8三极管第二端连接，Q8三极管第三端与Q2三极管第三端连接。

本实用新型通过上述结构的改良，利用电网频率采集电路将交流电网电压的转换为高低电平，通过MCU的输入端口读取该高低电平确定电网频率，计算出下一次交流电网的过零点，当需要在该点开启或关闭继电器时，MCU确定时差后可计算出需要在某一时间点开启或关闭继电器，使继电器触点在闭合或释放瞬间达到零电压点吸合或释放，实现触点消弧，达到延长继电器寿命的目的。

其具有以下优点：

(1)通过精准零电压点动作，避免触点拉弧的高温损耗，可将继电器寿命延长至6倍以上。

(2)电路设计简单，软件处理起来简单方便，逻辑清晰，巧妙的通过软硬件结合的方式实现。

(3)该电路通俗易懂，能够很好地被设计者掌握并应用到实际设计中。

综合而言，其结构简单合理、性能优异、制造成本低、易生产、易实现、安全可靠且使用寿命长等特点，实用性强。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例的总电路原理图。

图2为本实用新型第一实施例的电网频率采集电路原理图。

图3为本实用新型第一实施例的继电器驱动电路原理图。

图4为本实用新型第一实施例的MCU防死机电路原理图。

图5为本实用新型第一实施例的电网频率采集电路波形分析及软件测量电网频率示意图。

图6、图7为本实用新型第一实施例的软件控制继电器示意图。

图8为本实用新型第二实施例的电网频率采集电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述。

第一实施例

参见图1-图7，本交流电网下延长继电器寿命的电路，包括电网频率采集电路、MCU和继电器驱动电路，其特征在于：电网频率采集电路的输出端与MCU的输入端连接，继电器驱动电路的输入端与MCU的输出端连接，电网频率采集电路的输入端为交流电输入端。

由电网频率采集电路测得频率，实现在电网零电压点开启和关闭继电器，通过特有电路加快继电器的释放时间，减少误差，结合软件算法实现精准零电压点断开触点，有效避免大部分的电弧损耗。

进一步地讲，如图2所示，电网频率采集电路包括R9电阻、D10二极管、U3光耦、D11二极管、R8电阻、R10电阻和C6电容；其中，R9电阻一端与L线连接，另一端与D10二极管一端连接，D10二极管另一端分别与D11二极管一端、U3光耦一次回路的第一端连接，D11二极管另一端分别与U3光耦一次回路的第二端、N线连接，U3光耦一次回路的第三端与地线连接，U3光耦一次回路的第四端分别与R8电阻一端、R10电阻一端连接，R8电阻另一端与5V电源连接，R10电阻另一端分别与C6电容一端、MCU的输入端连接，C6电容另一端与地线连接。

其中，电网频率采集电路的目的为将电网正弦波，由D10二极管、D11二极管进行半波整流，D10二极管、D11用于保护光耦不被反向高压击穿，并经过U3光耦隔离及上拉R8电阻、R10电阻，整形为高低电平的方波，再经过C6电容滤波后输出至MCU进行测量。

进一步地讲，如图3所示，继电器驱动电路包括R18电阻、Q2三极管、D17二极管、ZD2稳压管和RY2继电器；其中，R18电阻一端与MCU的输出端连接，另一端与Q2三极管第一端连接，Q2三极管第二端分别与D17二极管一端、RY2继电器一端连接，D17二极管另一端与ZD2稳压管一端连接，ZD2稳压管另一端分别12V电源、RY2继电器另一端连接。

其中，继电器驱动电路采用12V供电，利用D17二极管、ZD2稳压管及RY2继电器组成一个闭合的续流回路；当继电器触点释放时，RY2继电器的线圈和铁芯所产生的电动势，被ZD2稳压管阻断在一个较高的电压点，实现快速关断继电器，缩小了继电器之间触点释放的固有误差。其中ZD2稳压管起到快速释放、加快断开继电器触点的作用，使量产时继电器的释放时间在500us的误差范围内(如2.1ms-2.6ms)，R18限流电阻和Q2三极管组成开关电路控制继电器。

具体地讲，还包括MCU防死机电路，如图4所示，该MCU防死机电路包括R25电阻、C8电容、R24电阻、Q7三极管、R28电阻、EC8贴片电容、R29电阻、R31电阻和Q8三极管；其中，R25电阻一端与MCU的输出端连接，另一端与C8电容一端连接，C8电容另一端分别与R24电阻一端、Q7三极管第一端连接，R24电阻另一端分别5V电源、Q7三极管第二端连接，Q7三极管第三端与R28电阻一端连接，R28电阻另一端分别与EC8贴片电容正极、R29电阻一端连接，EC8贴片电容负极分别与R31电阻一端、Q8三极管第一端、地线连接，R29电阻另一端分别与R31电阻另一端、Q8三极管第二端连接，Q8三极管第三端与Q2三极管第三端连接。

其中，MCU防死机电路是为了防止MCU突然死机，无法断开继电器而应用，该电路由MCU产生一个PWM信号，经过R25电阻，被C8电容隔直通交后，可有效防止因MCU死机造成负载误加热的可能。5V电源经过Q7三极管、R28电阻后对EC8贴片电容进行充电，使其维持一定的电压供Q8三极管导通。该MCU防死机电路为辅助电路，对于一些无特殊要求的场合，此部分电路可省略，可直接将继电器驱动电路中的Q2三极管直接接地。

在上述交流电网下延长继电器寿命的电路基础上，通过软件处理方法完成零电压点动作，实现触点灭弧，从而达到延长继电器寿命的目的。

具体地讲，对于一个常开型的继电器，触点在吸合时，动触点加速运动到静触点，到达静触点时，速度最高，肉眼很难分辨，触点产生的拉弧时间短，对触点伤害较小。触点在断开时，动触点从静止状态慢慢运动远离静触点，此时触点间长时间保持较小距离，产生较大电弧现象，消除该电弧，可大大提高继电器的寿命。利用该软件处理方法能实时获取电网频率，不受电网频率或电压的波动而影响测量结果，采集到的电网频率信息能够准确的用于继电器的控制，实现零电压点开启和关闭继电器。

进一步地讲，如图5所示，MCU端口以固定的时间间隔读取该口的状态，该时间间隔通常在微秒级，越小越精准，但会占用MCU时序的资源，以50微秒为例，通过读取连续的高电平和低电平的次数和，可以获知电网频率。

具体地讲，

软件处理实现零点压点关断：

如图6，当第一个高电平到来时，可知道还有一个固定的时间将会到达过零点，将该固定的时间减去继电器的释放时间中值(如2.1ms-2.6ms，取2.35)可知，再经过多少次时间间隔后可执行断开继电器的命令，实现零电压点关断继电器，使触点避免高压拉弧损耗，延长继电器的寿命次数。

举例如下：

以50us时间间隔进行端口扫描，共扫描到202个连续高电平和198个连续底电平，可知电网周期为(202+198)*50us＝20000us，即20ms；根据电网频率采集电路可知，第一次高电平到第二次零电压点的时间可根据图6得知，该时间

T1＝[(高电平)/2+(电网周期)]/4

＝[(202次高电平)/2+(电网周期)]/4

＝[(202次高电平)/2+(202次高电平+198次低电平)]/4

＝[3*(202次高电平)+(198次高电平)]/4

＝[3*(202*50)+(198*50)]/4

＝10050us

＝10.05ms

T1减去继电器的释放时间中值2.35ms，即10.05ms-2.35ms＝7.7ms，7.7ms/50us＝154次。

即从第一次高电平开始连续计算到154次时，执行释放继电器的命令，如图7所示。

软件处理实现零电压点附近吸合：

由于继电器的吸合存在一定误差范围,取消吸合时间中值(如4.5ms-6.5ms，取5.25ms)，参考继电器触点断开的方法，找到继电器吸合的时间点，实现零电压点附近吸合继电器，减少拉弧损耗，延长继电器的寿命次数。

第二实施例

参见图8，本交流电网下延长继电器寿命的电路，其不同于第一实施例之处在于：电网频率采集电路可使用替换电路实现该功能，组成一组非隔离式的电网频率采集电路。

具体地讲，电网频率采集电路包括R9’电阻、D11’二极管、C4’电容、Q2’三极管、C6’电容、R8’电阻和R10’电阻；其中，R9’电阻一端与L’线连接，另一端分别与D11’二极管一端、C4’电容一端、Q2’三极管第一端连接，D11’二极管另一端分别与N’线、C4’电容另一端、Q2’三极管第二端、地线、C6’电容一端连接，Q2’三极管第三端分别与R8’电阻一端、R10’电阻一端连接，R8’电阻另一端与+5V电源连接，R10’电阻另一端分别与MCU的输入端、C6电容另一端连接。

其它未述部分同第一实施例。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本领域的技术人员应该了解本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。