具有集成相位控制切换的继电器的制造方法
【专利摘要】一种继电器电路(100)包括对继电器电路施加交流输入线电压的电源(14)、继电器线圈(22)和由继电器线圈致动的至少一对触点(24)。另外公开了用于继电器电路的过零检测电路(12)和控制逻辑电路(16)。控制逻辑电路响应于过零检测电路的输出信号确定零交叉点，并且当负载连接到所述至少一对继电器触点时，控制继电器线圈以致动继电器触点，从而在负载电流的零交叉点处切换负载，使得通过继电器触点的电压和电流为零。
【专利说明】
具有集成相位控制切换的继电器
技术领域
[0001]本申请总体涉及一种电气继电器。本申请更具体地涉及一种具有集成相位控制切换的继电器，用于适应变换的状态和不同继电器来降低浪涌电流以优化和/或降低生产成本。
【背景技术】
[0002]交流供电电容和感性负载会难以用常规的继电器控制。如果继电器触点在电力线的峰值电压处接通，则在电容性负载对峰值电压充电时会产生大的冲击电流。限制冲击电流的唯一因素由负载中的寄生电感和阻抗提供。
[0003]如以下公开的，继电器触点的集成相位控制切换确保继电器触点仅在输入电压的零交叉点处、即当通过继电器触点的电压大致为零时接通。电压的正弦波形限制了在电容性负载上的电流的增长率。
[0004]另外，一些感性负载，诸如互感器(transformers)，设计为使得电流将铁芯的通量密度驱动为接近于饱和。稳态通量被正反交替地驱动。在起动期间，铁芯中的通量是零，并且如果触点与零交叉符合地接触，则通量在线电压的全半周期上增大。这比稳态将通量驱动得更高，并且超过铁芯饱和。一旦变压器铁芯是饱和的，则电感快速降低，并且电流例如仅由连接线的阻抗和互感器初级绕组的阻抗限制。对于在1000VA范围中的互感器，电流能够超过100安培。如果继电器触点在峰值线电压处接通，则铁芯通量具有仅1/4周期来建立磁通量。电压极性然后倒置，并且完全正弦波半周期的通量密度不达到峰值。通量密度不达到峰值，这是因为变压器铁芯具有从先前1/4周期建立的相反值，即输入电压起始地不为零。当这发生时，阻止了铁芯饱和以及高电流。
[0005]传统的电气继电器在延长的使用年限上获得可靠运行方面有许多困难。如果连接负载与继电器不兼容，则由于在继电器触点在电流流过它们之间情形下切换时的发弧导致触点的烧熔和粘结，继电器触点会劣化。
[0006]许多应用要求合适范围的电压和电流驱动可用，这对系统设计提出了额外要求。
[0007]对于包括有许多继电器的大系统，在系统设计中需要许多的电线和驱动器。
[0008]过大过载电流会导致继电器过热和故障。现有的电气继电器中存在的其它问题包括强电流驱动。另外，会因继电器触点的烧熔和粘结引起的故障而发生继电器的过热。
【发明内容】
[0009]因此，待解决的问题在于通过减低或者消除继电器触点断开和闭合时的发弧和冲击电流来实现更大的继电器寿命。减低或者消除继电器触点断开或闭合时的发弧的一个方法是将继电器的操作控制为在交流负载电路的零电流点处断开或接通，以消除继电器触点处的发弧。
[0010]根据本说明书，其它的特征和优点将变得明显。所公开的教导由落在权利要求范围内的那些实施方式提供，而与它们是否达到前述要求中的一个或多个要求无关。
[0011]解决方案由一种用于电磁继电器组件的继电器电路提供，该继电器电路包括继电器线圈和由继电器线圈致动的至少一对触点，包括对继电器电路施加交流输入线电压的电源、过零检测电路(zero cross detect1n circuit);和控制逻辑电路。控制逻辑电路响应于来自过零检测电路的输出信号而适应性地确定零交叉点。当负载连接到所述至少一对继电器触点时，控制逻辑电路控制继电器线圈以致动继电器触点而在负载电流的零交叉点处切换负载，使得通过继电器触点的电压和电流为零。
【附图说明】
[0012]现在将参考附图举例说明本发明，在所述附图中:
[0013]图1是用于示例性继电器电路的块图。
[0014]图2是示例性过零检测电路的电路原理图。
[0015]图3是具有A-D转换器的控制逻辑的电路原理图。
[0016]图4是继电器双驱动器的原理图。
[0017]图5是用于对继电器供电的AC-DC或者DC-DC5伏电源。
[0018]图6示出了继电器部分和电流标定偏移电路。
[0019]图7是图1至6中的示例性继电器的完整原理图。
[0020]图8示出了继电器电路的替代实施方式。
[0021 ]图9示出了继电器电路的替代实施方式的原理图。
[0022]图10示出了用于图9的继电器电路的示例性电压传感器电路。
[0023]图11示出了用于测量继电器线圈阻抗的示例性继电器驱动电路。
[0024]图12示出了用于图9的继电器电路的示例性电源电路。
[0025]图13示出了用于确定过零开关的导通延迟的示例性自适应算法。
[0026]图14示出了数据通信示意图，其中配备与图7和9中的继电器电路相关联的数据总线控制模块。
【具体实施方式】
[0027]在一个实施方式中，用于电磁继电器组件的继电器电路包括继电器线圈和由继电器线圈致动的至少一对触点，包括对继电器电路施加交流输入线电压的电源、过零检测电路;和控制逻辑电路。控制逻辑电路响应于来自过零检测电路的输出信号而适应性地确定零交叉点。当负载连接到所述至少一对继电器触点时，控制逻辑电路控制继电器线圈以致动继电器触点而在负载电流的零交叉点处切换负载，使得通过继电器触点的电压和电流为零。
[0028]在另一实施方式中，公开了用于继电器的控制逻辑电路，该控制逻辑电路包括微控制器。该微控制器能够被编程以响应于过零检测电路的输出信号确定零交叉点；以及当负载连接到所述至少一对继电器触点时，控制继电器线圈以致动继电器触点而在负载电流的所述零交叉点处切换负载，使得通过继电器触点的电压和电流为零。
[0029]另一实施方式涉及包括与控制逻辑电路通信的适应性过零检测电路的机电继电器。提供有电源，用于驱动控制逻辑电路、电流标定偏移电路、继电器线圈和能够由继电器线圈控制的至少一对继电器触点。控制逻辑电路包括用于将控制信号输入到控制逻辑电路的A-D转换器和用于操作继电器线圈的接通保持驱动电路。电源对电流标定偏移电路提供参考电压。电流标定偏移电路布置成驱动A/D转换器。关联于继电器线圈的继电器触点能够控制以切换负载，使得当被切换时通过继电器触点的电压和电流为零。
[0030]本文所述实施方式的一些优点包括具有集成相位控制切换的继电器降低了浪涌电流且具有更长寿命。
[0031]公开的继电器包括集成自调节特征部，其允许继电器适应变换的状态和不同继电器以优化/降低生产成本。继电器公开了另外的优点，诸如数字隔离的串行/无线通信方案、用于过电流保护的温度感测以及可动态设置以用于如果电流超过阈值则关断继电器的电流阈值及温度阈值。附加地，继电器可以经由通信方案受控以用于它的0N/0FF功能性。内部继电器诊断能够经由通信方案报告各种问题或者指示继电器故障，例如继电器线圈断路或者当继电器触点接通时出现空载电流。
[0032]通过提供电流监测和过零检测特征，继电器触点能够受控以在电流波形的过零点处断开。具有零电流的感性负载不具有储存能量并且不能产生感应性反冲电压或者发弧触点。通过减低继电器触点的发弧，继电器触点经历减弱的侵蚀和EMI(电磁体磁场干扰)。
[0033]相位控制切换可以自动地配置。即，系统能够评估负载并且相对交流电力线过零点调节触点接通的时序，以用于最佳性能。
[0034]不太昂贵的直流继电器线圈可用于继电器线圈22，以代替交流继电器线圈，从而不需要包括屏蔽环以在零交叉期间防止颤振或者触点抖动。
[0035]公开的发明另外提供了对继电器在交流应用中的反应时间进行适应性控制的机构，使得继电器在过零点处切换。由于线圈、触点及其他继电器部件的劣化和损耗，继电器切换时间可从继电器寿命的起始至其寿命的终了变化，并且适应性过零检测特征适应可变的切换时间。
[0036]参考图1，示出了继电器电路100的块图。交流输入线电压10在过零检测电路12和电源14的输入处施加到电路100。过零检测电路12提供输出信号至控制逻辑电路16，用于确定切换负载的准确零交叉点，如稍后更详细地说明的。电源14对控制逻辑电路16提供电力5V直流电力，对电流标定偏移电路20提供参考电压18。控制逻辑电路16控制继电器线圈22的操作，以致动继电器触点24而在负载电流的零交叉点处切换负载26。图7是图1至6的示例性继电器的完整原理图。
[0037]接着参考图2，示出了示例性过零检测电路的电路原理图。输入信号10施加到与二极管装置28串联连接的电阻器Rl、R2和R3。输入电压可以在例如从120伏至277伏的范围内，但更高或更低的电压也可结合使用适当定级的部件的本公开电路使用。电容器Cl在R2和R3之间与输入电压和二极管装置28并联，用于排放(drain)来自输入电压10的高频噪声。二极管装置28包括:一对串联的二极管Dl、D4，二极管D1、D4与二极管D3反向并联连接;和齐纳二极管D2，其额定为12伏并与二极管D3并联。输出电阻器R4在电路12的输出处连接在D2和电阻器R5之间，其中过零输出信号30连接R4和R5之间。二极管装置28作用为钳压(voltageclamping)电路，从而限制用于到微控制器32(图3)的输入的输入信号电压。替代装置可用于二极管装置28，包括取消(eliminating) 二极管D1、D4，或者取消齐纳二极管。另外，图9所示电路示出了替代实施方式，其中通过将电路64、66中的电压输出直接施加到微控制器60的输入而取消了二极管装置28。
[0038]接着参考图3，信号30传递到微控制器32。微控制器32可以是集成电路(IC)，在一个示例性实施方式中，IC可以是具有12个输入输出(I/O)端子、2K闪存和128RAM的QFN型封装。微控制器32通过与微控制器32数据通信的程序端口 34可编程。微控制器32另外连接到双通道数字隔离器36，双通道数字隔离器36与通用异步接收器/发送器(UART)38连接。通用异步接收器/发送器(UART)38经过计算机或者外围设备的串行端口(未示出)提供串行通信，例如，Rs-232或者类似数据格式。替代地，可采用其它的串行或无线通信格式。数字隔离的串行/无线通信方案允许系统关于关联于继电器100的各种参数，例如，温度、电流、电压等等将信息提供到继电器100中以及从继电器100接收信息。电流阈值和温度阈值可以动态设置并存储在继电器中以用于安全性，包括在电力周期之后。继电器100关于它的0N/0FF功能性可经由通信方案受控。
[0039]微控制器32经由晶体管电路Q1、Q2控制机电继电器组件1(图6)的继电器线圈22部分。
[0040]接着参考图4，示出了双驱动器接通保持电流。提供满功率以接通继电器，然后降低的驱动电流被用于保持触点接通。晶体管Q2配置成以满功率致动继电器线圈22，并且晶体管Ql配置成将继电器线圈22保持在被致动状态，直至微控制器32指令继电器对I去致动。微控制器32包括对零交叉信号输入数字化用于处理的A-D转换器。
[0041 ] 接着参考图5，示出了DC-DC 5伏电源14。电源14可以包括DC-DC 5伏电源IC 40。电源14包括在输入处的二极管D5，用于将交流输入正弦波转换到整流的半波以用于到L-C电路42的输入，其中电容器C3、C4与电感器LI并联。电路42的输出连接到IC 40的漏极(drain)输入。IC 40对功率IC 32提供5伏输出，并提供用于参考电压18以用于电路20的定标和偏移。在另一实施方式中，电源14可以是AC-DC 5伏电源。
[0042]接着参考图6，示出了电流标定偏移电路20和过零机电继电器组件I。继电器线圈致动信号来源于晶体管电路Q1、Q2(图4)。机电继电器组件I可具有多组触点，这些触点可取决于应用而配置为常断开(NO)触点或常接通(NC)触点。在图6所示的示例性实施方式中，示出了两组常断开触点12、12A和14、14A。当机电继电器组件I致动时，触点可操作以切换电力至负载26。触点11、11A连接到电流标定偏移电路20。电路20包括差分放大器IC U5。1]5连接到微控制器32，微控制器32被编程以在负载电流为零时切换机电继电器触点。
[0043]集成二极管箝位(clamp)可提供用于降低EMI。
[0044]在继电器100中可提供电流感测，以用于过电流保护。过电流保护能够以如果电流超过阈值则关断继电器的形式提供。另外，可提供温度感测以用于过电流保护。热保护也可以如果温度超过阈值则关断继电器的形式提供。
[0045]继电器100具有低驱动电流。由于继电器驱动是内置的并且仅需要可变小电流电压调整，简化了设计。电压阈值可通过程序端口 34(图3)而被动态地编程，以适应不同应用。
[0046]在另一实施方式中，继电器电路50可以根据8所示的系统图执行。继电器电路可以关于连接负载对主机控制器提供操作反馈，包括功耗(电流和电压感测)和过载监测。操作反馈信息以对负载透明的方式被汇集，同时保持有效精度水平。一对电压传感器52、54分别连接在常接通触点53和常断开触点55之间。电压传感器52、54的输入端子分别直接连接到端子触点53、55。感测电压由电阻分压器电路56衰减，以将输入信号电压降低到适于输入到运算放大器或者运算放大器58(图10)的电平。在一个实施方式中，运算放大器58可以是低偏移斩波稳定差分运算放大器。运算放大器58对微控制器(MCU)60提供了在可用电压范围中的模拟信号。MCU 60包括板载的或者集成的模数转换器(ADC)，并且经由ADC读取运算放大器输出信号以确定输入电压的幅值。
[0047]图9示出了示例性继电器电路50的完整原理图，包括有电压传感器52、54。另外参考图1O，各电压传感器52、54中的电阻分压器电路56包括串联连接的均具有例如20M Ω的相等阻抗值的三个电阻器57。电阻器57与在相反的端部处连接到接地端子的电容器59和电阻器61并联。分别地电压传感器52、54的输出通过串联电阻器63分别连接到电压标定偏移电路64、66，然后输送到MCU 60用于处理。电流标定偏移电路62大致如上关于图6所述地配置，并且包括连接到M⑶60的差分放大器IC 6，M⑶60被编程以在负载电流为零时切换触点53、550
[0048]图11示出了用于测量继电器线圈阻抗的示例性继电器驱动电路90。继电器线圈抗性能够由MCU 60ADC使用预定温度稳定的电阻器值来确定。线圈抗性必须在继电器线圈22激励时来测量。继电器线圈电压通过100 Ω电阻器91被供给到MCU 60上的ADC复用器，并且电阻器92、93并联组合两端间的电压通过100 Ω电阻器94输送。电阻器92、93在一个实施方式中可具有52.3 Ω的阻抗值。该阻抗值选择为设置期望的降低继电器驱动电流值。电阻器92、93两端间的电压与继电器激励时的线圈电流成比例。二极管95和电容器96提供过滤和防瞬变电压措施。注意，电阻器和电容器的值仅作为示例提供，并且它们的值可以改变，例如用于适应不同部件和相关特性而实现相同或类似结果。继电器线圈致动信号来源于晶体管电路Ql、Q2。双阶段线圈驱动电路90初始地以满功率激励线圈，以使继电器触点迅速地并且可以预见地接通。驱动电路90然后将线圈电流降低到保持状态，以维持触点接通同时限制继电器线圈22的功耗。降低的线圈电流降低了继电器的功耗，并且限制了继电器元件的内阻加热。
[0049]再次参考图9，可以提供附加的开关85和LED87，例如用于提供警报状态以指示关联于继电器或者继电器电路50的参数可能处于预设公差值之外。另外，可以由隔离器89提供电隔离。
[0050]电流感测电路62(图9)感测通过继电器线圈22的电流。电路62实施如图6中所示的类似差分运放拓扑，外加有0.001 Ω阻抗的并接电阻器。利用持续的16安培电流，并接电阻器消散0.25瓦，并且在放大器处形成+/-22.6mV峰值电压。这一信号然后由运算放大器6标定，用于由MCU 60通过集成ADC使用。
[0051]图12示出了对电路50提供5伏(DC)源的示例性电源80。利用交流输入电压和直流输出之间的隔离，交流输入电压(例如，24伏)被转换为5VDC。
[0052]M⑶60被编程以将关联于机电继电器组件I的电压和电流读数传送到主机控制器。MCU 60另外持续地对照预设操作阈值进行检查。如果超过预设阈值，则继电器50可以进入可由用户配置的差错模式。差错响应可包括产生警告或者警报，或者将继电器直接关断以作为故障保险机构。这些用户限定的参数可局部地存储在继电器上的非易失性存储器中，并且与通电/关电周期无关地存留，直至由用户改变。例如，16安培的继电器额定值可具有以期望安全因子、例如额定满载电流量的20%而设置为16安培以下的阈值。在另一示例中，其中负载电流最大值是5安培，则阈值电流的阈值可以设置为6安培以指示系统中可能存在故障。
[0053]继电器50另外可编程以检测并报告机电继电器I的特性，例如，操作周期、继电器线圈阻抗、内部温度、周围温度和环境历史记录。关联于继电器50的当前信息和历史数据可存储以提供与继电器的完好性或状态有关的数据。例如，继电器线圈阻抗的测量数据指示继电器线圈22是否已遭受任何的短路绕组或者断线。在线圈电阻的规定公差范围之外的阻抗值可指示继电器线圈22接近其使用年限的终了。通过对继电器的累计操作周期计数，可形成告知判定，以更换继电器中可能即将发生故障的机电组件部分。可编程寿命周期界限能够指示可能需要更换继电器的情形。
[0054]继电器50记录机电继电器组件I被激励、即处于“0N”状态的累积时间，这可指示触点疲劳并提供关于继电器负载的性能的数据。周围温度测量数据可用于记录继电器箱或者设备内部的条件，以指示继电器环境是否在规定规范内。内部继电器温度可揭示加速继电器疲劳的操作条件。继电器发热是通过继电器触点的过高电流、周围温度和线圈电阻热的函数。继电器50也可记录诸如在继电器寿命上的峰值工作温度和峰值电流这样的数据。这提供了关于继电器所暴露于的条件的指示，从而可易于识别过温或过载。
[0055]继电器线圈22的阻抗可以使用现有的继电器驱动电路测量。通过使用MCU 60ADC及温度稳定电阻器值。可确定线圈抗性。继电器线圈阻抗的测量数据必须在继电器线圈22被激励并且继电器处于“0N”时采集。
[0056]接着参考图13，示出了用于确定过零开关的导通延迟的自适应算法110。算法110在MCU 60中执行，例如通过安装在MCU 60上的固件执行。在步骤112中，M⑶60与来自电压标定偏移电路64、66的交流输入电压值输出同步。接头，在步骤114中，继电器“0N”指示由MCU 60接收到。在步骤114中，MCU推断交流输入电压的下一个零交叉，并相对于下一个零交叉调节继电器触发时间。然后系统继续前进到步骤116，并设置用于触发继电器线圈22的延迟间隔。基于继电器的当前特征，MCU 60设置用于触发线圈的时间，使得继电器触点接触的时序与零交叉一致。接头，在步骤118中，MCU 60激励继电器线圈22。在激励继电器线圈22之后，系统继续前进到步骤120以监测触点电压。对继电器线圈22产生触发信号和继电器触点接通之间的延迟被确定，并且在步骤122，接通时间的延迟被更新到M⑶60存储器，并用于下一个切换周期。然后，系统返回到步骤112以与交流输入电压同步，并重复算法。
[0057]在继电器电路50上可设置通信和电力总线架构，以允许将负载监测和继电器诊断信息数据传送到主机控制器(未示出)用于存储。在一个实施方式中，继电器电路50可以包括具有地(GND)、传输(TX)和接收(RX)传输线的5线总线68Z24VDC线70对包括有继电器线圈驱动的智能插座板载电路供电，以确保与负载连接无关的操作。传输和24V电力导体可埋人DIN导轨中，用于提供DIN安装式继电器电路50的卡入连接。
[0058]接着参考图14，可配备与继电器电路50关联的总线控制主模块72，以执行串行通信电平变换、保护主机PC不受传输线瞬态的影响，并对继电器电路50提供+24VDC总线电力。继电器负载73示出为连接到继电器触点24。在一个实施方式中，总线控制主模块72采用I主对N从构造，其中从属设备能够分别地寻址，并共用单个TX/RX导体对。总线控制主模块72可直接安装到DIN导轨，并经由串行电缆或USB-串行电缆77与主机PC接口。
[0059]可包括显示器75，以提供关于继电器状态及其他情形的可见指示。
[0060]负载功率能够通过微控制器32监测并且用作负载故障检测装置。可包括周期计数以报告情形或继电器使用，并作为预防性维护以指示继电器是否已经循环预定次数因而它应被更换。周期计数能够是对继电器周期计数以及存储周期信息。按要求，周期计数数据可通过UART 38或者其它的数据通信端口通信。
[0061]故障内路诊断的指示能够报告各种问题，例如继电器接通时的开路线圈或者空载电流。
[0062]触点电阻测量能够在触点接通时进行，电流和电压被测量并且与预定范围的可接受的接触电阻比较。
[0063]但应理解，本申请不局限于以下描述中阐述的或者在附图中例示的细节或者方法。其还应理解为本文所采用的措辞和专有名词仅是为了说明的目的，不应被认为是限制性的。
[0064]虽然附图中例示的及本文描述的示例性实施方式在目前是优选的，但应理解，这些实施方式仅举例给出。因此，本申请不局限于【具体实施方式】，而是延伸到仍在所附权利要求范围内的各种修改。根据可选实施方式，任何处理或方法步骤的顺序或次序可以改变或再排序。
【主权项】
1.一种继电器电路，包括: 对所述继电器电路施加交流输入线电压的电源、继电器线圈和由所述继电器线圈致动的至少一对触点； 过零检测电路;和 控制逻辑电路； 其中: 所述控制逻辑电路配置成响应于来自所述过零检测电路的输出信号确定零交叉点；并且 所述控制逻辑电路配置成当负载连接到所述至少一对继电器触点时，控制所述继电器线圈以致动继电器触点，从而在负载电流的零交叉点处切换负载，使得通过继电器触点的电压和电流为零。2.根据权利要求1所述的继电器电路，其中所述电源另外对所述控制逻辑电路提供5V直流电力输入。3.根据权利要求1所述的继电器电路，其中所述过零检测电路包括与二极管装置串联连接的多个电阻器，其中所述过零检测电路的输入信号被施加到所述多个电阻器。4.根据权利要求3所述的继电器电路，其中所述过零检测电路包括与输入电压和所述二极管装置并联连接的、并且连接在所述多个电阻器之间的电容器，所述电容器配置成排放输入电压的高频噪声。5.根据权利要求3所述的继电器电路，其中所述二极管装置包括与第三二极管反向并联连接的一对串联连接的二极管，以及与所述第三二极管并联连接的齐纳二极管。6.根据权利要求1所述的继电器电路，其中所述控制逻辑电路包括微控制器，所述微控制器能够通过经由器件串行端口从发送器接收串行通信的双通道数字隔离器而被编程。7.根据权利要求6所述的继电器电路，其中所述器件串行端口包括通用异步接收器/发送器。8.根据权利要求1所述的继电器电路，其中电流阈值和温度阈值在所述控制逻辑电路中被动态地设置。9.根据权利要求1所述的继电器电路，进一步包括用于驱动所述继电器线圈的接通和保持电路，其中全驱动电流被施加到所述继电器线圈以接通所述继电器触点，并且继而降低的驱动电流被施加到所述继电器线圈以将所述继电器触点保持在被致动状态。10.根据权利要求9所述的继电器电路，其中所述接通和保持电路进一步包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管配置成以满功率致动继电器线圈，所述第二晶体管配置成将所述继电器线圈保持在所述被致动状态。11.根据权利要求6所述的继电器电路，其中所述微控制器包括用于将来自所述过零检测电路的输出信号数字化的模数转换器。12.根据权利要求1所述的继电器电路，其中在电流波形的零交叉点处，所述继电器触点能够控制以断开和接通。13.根据权利要求1所述的继电器电路，其中通过微控制器评估负载并且相对交流输入线电压的零交叉点调节触点接通的时序，使得相位控制切换被自动地配置。
【文档编号】H01H47/02GK105981127SQ201480067197
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年12月10日
【发明人】M.S.阿迈德, R.H.科勒, G.巴特
【申请人】泰科电子公司