欠压脱扣器用电子控制电路的制作方法

本实用新型涉及低压电器领域，特别涉及一种欠压脱扣器用电子控制电路。

背景技术：

现有的欠压脱扣器，当电源电压端电压下降(或者缓慢下降)到欠电压脱扣器额定工作电压的70％至35％范围内，欠电压脱扣器应动作使断路器断开。电源电压端电压低于脱扣器额定工作电压的35％时，欠电压脱扣器应能防止断路器闭合，电源电压端电压等于或大于脱扣器额定工作电压的85％时应能保证断路器闭合。欠压脱扣器是框架断路器的重要附件之一，其属于长期工作制附件，并且要求其在额定电压的110％时也能长期稳定工作。

而目前欠压脱扣器配套使用的低压断路器其发展也有些新的特点：

一，越来越小型化的发展趋势。这就要求欠电压脱扣器也要小型化，小型化的欠压脱扣器在设计时往往最主要解决其长期工作时温升的控制。需要电子控制电路对流经线圈的电流做一个较好的控制，使其在狭小空间下能够保持一定的热平衡；除此以外，还需要考虑小型化的欠压脱扣器内空间有限，要求电子控制线路板体积足够小；

二，断路器指标越来越高。比如较高的短耐指标就要求断路器的脱扣力更大(15N以上)，以克服较大的电动斥力，这势必要求欠电压脱扣器内弹簧力更大，电磁铁的维持功率更大，进而又要求欠电压脱扣器在额定电压的110％长期稳定工作时，温升控制在一定范围内(50K)，同时电磁力足够克服弹簧力，使得脱扣器可靠吸合；

三，低压断路器应用场合电压规格多、范围跨度大(从AC24V到AC440V)。特别是AC440V规格，整体欠压脱扣器产品的小体积、高可靠性要求给电源取电等电路的设计提高了难度。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种结构简单紧凑，性能安全稳定，成本低的欠压脱扣器用电子控制电路。

为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种欠压脱扣器用电子控制电路，其特征在于：包括EMC电路，整流电路，信号采样电路，电源取电与维持线圈控制电路，电源转换电路，启动线圈与驱动电路和MCU电路；所述EMC电路的输入端与外部电源输入端连接，EMC电路的输出端与整流电路的输入端连接，整流电路将外部电源整流为直流电，整流电路的输出端分别与电源取电与维持线圈控制电路、信号采样电路、启动线圈与驱动电路连接；信号采样电路的输出端与电源取电与维持线圈控制电路的输入端和MCU电路的输入端连接，电源取电与维持线圈控制电路的输出端与启动线圈与驱动电路的输入端连接；电源转换电路的输入端与电源取电与维持线圈控制电路的输出端连接，电源转换电路的输出端与MCU电路的输入端连接，MCU电路的输出端与启动线圈与驱动电路和电源取电与维持线圈控制电路连接。

进一步，所述电源取电与维持线圈控制电路包括逻辑与驱动电路、维持线圈T1A、MOS管Q3和电源电路；维持线圈T1A的一端与整流电路的输出端连接，维持线圈T1A的另一端与MOS管Q3连接，维持线圈T1A的另一端同时与电源电路的输入端连接，电源电路的输出端与启动线圈与驱动电路的输入端和电源转换电路的输入端连接；逻辑与驱动电路的输入端与MCU电路的输出端连接，逻辑与驱动电路的输出端与MOS管Q3连接。

进一步，所述逻辑与驱动电路包括逻辑芯片U3和电阻R10；电阻R10的一端与MOS管Q3的源极连接，电阻R10的另一端与逻辑芯片U3的第十管脚连接，逻辑芯片U3的第八管脚和第九管脚连接至逻辑芯片U3的第三管脚，逻辑芯片U3的第一管脚连接至MOS管Q1的栅极，MOS管Q1的栅极经过电阻R8连接至电源VDD，MOS管Q1的源极与MCU电路的输出端连接，MOS管Q1的漏极接地，电阻R12的两端并联连接至MOS管Q1的源极和MOS管Q1的漏极之间；逻辑芯片U3的第二管脚与逻辑芯片U3的第四管脚连接，电容C5和电阻R16串联连接，串联后电容C5的一端与逻辑芯片U3的第四管脚连接，电阻R16的一端与逻辑芯片U3的第十二管脚和逻辑芯片U3的第十三管脚连接，电阻R15的一端与电容C5和电阻R16的中间节点连接，另一端与逻辑芯片U3的第六管脚和逻辑芯片U3的第十一管脚，逻辑芯片U3的第五管脚连接至MOS管Q2的栅极，MOS管Q2的栅极经过电阻R9连接至电源VDD，MOS管Q2的漏极接地，电阻R13并联连接至MOS管Q2的源极和MOS管Q2的漏极之间，MOS管Q2的源极与MCU电路的输出端连接。

进一步，所述电源电路包括电阻R5，电阻R6，电阻R4，电阻R7，电容C7，稳压管D4，二极管D3，极性电容C1；二极管D3的负极与电源转换电路的输入端和启动线圈与驱动电路的输入端连接，极性电容C1的正极与二极管D3的负极连接，极性电容C1的负极与二极管D3的负极连接，二极管D3的正极经过电容C4连接至维持线圈T1A的一端，电阻R5、电阻R6、电阻R4和电阻R7的串联后的两端并联连接在电容C4的两端；还包括二极管D2和电阻R14，二极管D2的两端并联连接在维持线圈T1A的两端，电阻R14的两端并联连接在MOS管Q3的源极和MOS管Q3的漏极之间，MOS管Q3的漏极接地，MOS管Q3的源极与逻辑与驱动电路的输出端连接，维持线圈T1A的另一端与信号采样电路的输出端连接。

进一步，所述启动线圈与驱动电路包括启动线圈T1B，MOS管Q4和驱动电路；启动线圈T1B的一端与整流电路的输出端连接，启动线圈T1B的另一端与MOS管Q4的一端连接，MOS管Q4的另一端与驱动电路的输出端连接，驱动电路的输入端与电源取电与维持线圈控制电路的输出端和MCU电路的输出端连接。

进一步，所述驱动电路包括驱动芯片U5，电阻R24，电阻R22，电阻R25和电容C10；所述MOS管Q4的栅极与启动线圈T1B的另一端连接，电阻R24并联连接在MOS管Q4的源极和MOS管Q4的漏极，MOS管Q4的漏极接地，电阻R22的一端与MOS管Q4的源极连接，另一端连接至驱动芯片U5的第五管脚，驱动芯片U5的第四管脚接地，驱动芯片U5的第一管脚接地，驱动芯片U5的第二管脚经过电容C10接地，驱动芯片U5的第二管脚经过电阻R25接地。

进一步，所述EMC电路包括压敏电阻RV1，电阻R1，电阻R3和电容C2，外部电源分两路分别经过电阻R1和电阻R3连接至整流电路的输入端，压敏电阻RV1并联连接在电阻R1和电阻R2的前端，电容C2的并联连接在电阻R1和电阻R2的后端。所述整流电路包括整流桥B1，整流桥B1的输入端与EMC电路的输出端连接，整流桥B1的输出端与电源取电与维持线圈控制电路、信号采样电路、启动线圈与驱动电路连接。

进一步，所述信号采样电路包括二极管D5，电阻R17，电阻R21，电阻R23，电阻R30，电容C11，电阻R26和二极管D7；二极管D5的正极与整流电路的输出端连接，二极管D5的负极与电源取电与维持线圈控制电路连接，电阻R17、电阻R21、电阻R23和电阻R30串联后电阻R17的一端与二极管D5的正极连接，电阻R30的一端接地，电阻R26的一端与电阻R23和电阻R30的中间节点连接，电阻R26的另一端与电源取电与MCU电路的输入端连接，二极管D7的正极与电阻R26的另一端连接，二极管D7的负极与电源VCC连接。

进一步，所述电源转换电路包括电源转换芯片U4，极性电容C9，电阻R11，极性电容C6和电容C7；电源转换芯片U4的输入端与电源电路的输出端连接，极性电容C9的正极与电源转换芯片U4的输入端连接，极性电容C9的负极接地，电源转换芯片U4的输出端与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与极性电容C6和电容C7并联后的一端连接，极性电容C6和电容C7并联后的一端同时与MCU电路连接，极性电容C6和电容C7并联后的另一端接地。

进一步，所述MCU电路为可编程逻辑器件或者DSP芯片或者单片机。

本实用新型欠压脱扣器用电子控制电路整体结构简单紧凑，成本低；EMC电路用于保护本控制电路免受外部浪涌等冲击干扰、同时降低本产品对外辐射水平；所述信号采样电路实现输入电压的分压采样、采样信号的限幅处理；电源转换电路将前级的较大电压(8.2V)转为为单片机能够匹配使用的VCC(约3.3V)；MCU电路一方面通过ADC(模数转换)将采样电路输出电压值S1取其有效值数值化为电压值，电压阈值进行判断逻辑，实现电压的精确采样，保证电压动作值的准确，实现对电网的精确欠电压保护，另一方面在产品保持吸合阶段产生可调的PWM波，通过开关管控制电路，使得维持线圈可靠吸合，并且电源电路保持一定的输出能力，维持整个控制板工作；此外，本实用新型双线圈动作配合设计，启动线圈与维持线圈组合作用，保证了欠压功能的实现，长期工作时只有维持线圈工作，大大减小了工作电流与对外的传导干扰等冲击，提高了整体产品的EMC特性；特别地，本实用新型的电源转换电路、MCU电路、启动线圈与驱动电路的电源由电源取电与维持线圈控制电路提供，使得电子线路控制板上的元器件热功耗处于较低的水平，保证欠电压脱扣器在额定电压的110％时也能长期稳定工作。本实用新型维持线圈与开关MOS管串联、与电源电路串联，对外部高压输入进行取电，这种操作方式解决了控制板的微控制器和相关电路的取电问题，这种取电方式是将电压降施加于维持线圈之上，而使得电子线路控制板上的元器件热功耗处于较低的水平；为脱扣器提供较大的启动力矩同时保证欠电压脱扣器在额定电压的110％时也能长期稳定工作。

附图说明

图1是本实用新型欠压脱扣器用电子控制电路的整体结构示意图；

图2是本实用新型逻辑与驱动电路的电路图；

图3是本实用新型维持线圈、电源电路和MOS管的连接关系电路图；

图4是本实用新型电源转换电路的电路图；

图5是本实用新型启动线圈与驱动电路的电路图；

图6是本实用新型EMC电路和整流电路的电路图；

图7是本实用新型信号采用电路的电路图。

具体实施方式

以下结合附图1至7给出的实施例，进一步说明本实用新型的欠压脱扣器用电子控制电路的具体实施方式。本实用新型的欠压脱扣器用电子控制电路不限于以下实施例的描述。

如图1所示，本实用新型欠压脱扣器用电子控制电路，包括EMC电路，整流电路，信号采样电路，电源取电与维持线圈控制电路，电源转换电路，启动线圈与驱动电路和MCU电路；所述EMC电路的输入端与外部电源输入端连接，EMC电路的输出端与整流电路的输入端连接，整流电路将外部电源整流为直流电，整流电路的输出端分别与电源取电与维持线圈控制电路、信号采样电路、启动线圈与驱动电路连接；信号采样电路的输出端与电源取电与维持线圈控制电路的输入端和MCU电路的输入端连接，电源取电与维持线圈控制电路的输出端与启动线圈与驱动电路的输入端连接；电源转换电路的输入端与电源取电与维持线圈控制电路的输出端连接，电源转换电路的输出端与MCU电路的输入端连接，MCU电路的输出端与启动线圈与驱动电路的连接。本实用新型欠压脱扣器用电子控制电路整体结构简单紧凑，成本低；EMC电路用于保护本控制电路免受外部浪涌等冲击干扰、同时降低本产品对外辐射水平；所述信号采样电路实现输入电压的分压采样、采样信号的限幅处理；电源转换电路将前级的较大电压(8.2V)转为为单片机能够匹配使用的VCC3.3V(约3.3V)；MCU电路一方面通过ADC(模数转换)将采样电路输出电压值S1取其有效值数值化为电压值，电压阈值进行判断逻辑，实现电压的精确采样，保证电压动作值的准确，实现对电网的精确欠电压保护，另一方面在产品保持吸合阶段产生可调的PWM波，通过开关管控制电路，使得维持线圈可靠吸合，并且电源电路保持一定的输出能力，维持整个控制板工作；此外，本实用新型双线圈动作配合设计，启动线圈与维持线圈组合作用，保证了欠压功能的实现，长期工作时只有维持线圈工作，大大减小了工作电流与对外的传导干扰等冲击，提高了整体产品的EMC特性；特别地，本实用新型的电源转换电路、MCU电路、启动线圈与驱动电路的电源由电源取电与维持线圈控制电路提供，使得电子线路控制板上的元器件热功耗处于较低的水平，保证欠电压脱扣器在额定电压的110％时也能长期稳定工作，而现有技术后续电路的电源通常是通过电源电路直接供给，因此会增加相应的稳压元件，成本高。

本实用新型MCU电路为可编程逻辑器件或者DSP芯片或者单片机。本实施例为单片机。单片机实时对输入电压进行采样，信号采样电路提供采样信号S1。本实用新型采用基于单片机的实时电压采样，监控当前的电压输入情况，若符合吸合条件，则产生一个控制信号(PWM Start)通过驱动电路作用于启动线圈T1B，启动线圈短时得电，形成较大的电磁力，克服弹簧，脱扣杆被吸回。

如图2、3所示，所述电源取电与维持线圈控制电路包括逻辑与驱动电路、维持线圈T1A、MOS管Q3和电源电路；维持线圈T1A的一端与整流电路的输出端连接，维持线圈T1A的另一端与MOS管Q3连接，维持线圈T1A的另一端同时与电源电路的输入端连接，电源电路的输出端与启动线圈与驱动电路的输入端和电源转换电路的输入端连接；逻辑与驱动电路的输入端与MCU电路的输出端连接，逻辑与驱动电路的输出端与MOS管Q3连接。本实用新型维持线圈与开关MOS管串联、与电源电路串联，对外部高压输入进行取电，这种操作方式解决了控制板的微控制器和相关电路的取电问题，这种取电方式是将电压降施加于维持线圈之上，而使得电子线路控制板上的元器件热功耗处于较低的水平；为脱扣器提供较大的启动力矩同时保证欠电压脱扣器在额定电压的110％时也能长期稳定工作。

如图2所示，所述逻辑与驱动电路包括逻辑芯片U3和电阻R10；电阻R10的一端与MOS管Q3的源极连接，电阻R10的另一端与逻辑芯片U3的第十管脚连接，逻辑芯片U3的第八管脚和第九管脚连接至逻辑芯片U3的第三管脚，逻辑芯片U3的第一管脚连接至MOS管Q1的栅极，MOS管Q1的栅极经过电阻R8连接至电源VDD，MOS管Q1的源极与MCU电路的输出端连接，MOS管Q1的漏极接地，电阻R12的两端并联连接至MOS管Q1的源极和MOS管Q1的漏极之间；逻辑芯片U3的第二管脚与逻辑芯片U3的第四管脚连接，电容C5和电阻R16串联连接，串联后电容C5的一端与逻辑芯片U3的第四管脚连接，电阻R16的一端与逻辑芯片U3的第十二管脚和逻辑芯片U3的第十三管脚连接，电阻R15的一端与电容C5和电阻R16的中间节点连接，另一端与逻辑芯片U3的第六管脚和逻辑芯片U3的第十一管脚，逻辑芯片U3的第五管脚连接至MOS管Q2的栅极，MOS管Q2的栅极经过电阻R9连接至电源VDD，MOS管Q2的漏极接地，电阻R13并联连接至MOS管Q2的源极和MOS管Q2的漏极之间，MOS管Q2的源极与MCU电路的输出端连接。逻辑与驱动电路由逻辑芯片构成，其控制输入为单片机控制端输出信号C1、C2，C1信号为单片机给出的PWM信号，C2信号为内部1kHz方波振荡器的使能信号，VDD为电源电路的输出；逻辑芯片U3采用MC14011芯片，由MC14011芯片自激产生1kHz控制信号，从而在MOS管Q3的D脚产生持续的脉动电压，在稳压管D4上形成稳定电压VDD，进而电源转换电路产生稳定的VCC3.3V。

如图3所示，所述电源电路包括电阻R5，电阻R6，电阻R4，电阻R7，电容C7，稳压管D4，二极管D3，极性电容C1；二极管D3的负极与电源转换电路的输入端和启动线圈与驱动电路的输入端连接，极性电容C1的正极与二极管D3的负极连接，极性电容C1的负极与二极管D3的负极连接，二极管D3的正极经过电容C4连接至维持线圈T1A的一端，电阻R5、电阻R6、电阻R4和电阻R7的串联后的两端并联连接在电容C4的两端；还包括二极管D2和电阻R14，二极管D2的两端并联连接在维持线圈T1A的两端，电阻R14的两端并联连接在MOS管Q3的源极和MOS管Q3的漏极之间，MOS管Q3的漏极接地，MOS管Q3的源极与逻辑与驱动电路的输出端连接，维持线圈T1A的另一端与信号采样电路的输出端连接。

如图1、5所示，所述启动线圈与驱动电路包括启动线圈T1B，MOS管Q4和驱动电路；启动线圈T1B的一端与整流电路的输出端连接，启动线圈T1B的另一端与MOS管Q4的一端连接，MOS管Q4的另一端与驱动电路的输出端连接，驱动电路的输入端与电源取电与维持线圈控制电路的输出端和MCU电路的输出端连接。所述启动线圈与控制电路由开关管驱动电路、开关管、启动线圈构成，整体结构简单紧凑。

如图5所示，所述驱动电路包括驱动芯片U5，电阻R24，电阻R22，电阻R25和电容C10；所述MOS管Q4的栅极与启动线圈T1B的另一端连接，电阻R24并联连接在MOS管Q4的源极和MOS管Q4的漏极，MOS管Q4的漏极接地，电阻R22的一端与MOS管Q4的源极连接，另一端连接至驱动芯片U5的第五管脚，驱动芯片U5的第四管脚接地，驱动芯片U5的第一管脚接地，驱动芯片U5的第二管脚经过电容C10接地，驱动芯片U5的第二管脚经过电阻R25接地。

如图6所示，所述EMC电路包括压敏电阻RV1，电阻R1，电阻R3和电容C2，外部电源分两路分别经过电阻R1和电阻R3连接至整流电路的输入端，压敏电阻RV1并联连接在电阻R1和电阻R2的前端，电容C2的并联连接在电阻R1和电阻R2的后端。所述整流电路包括整流桥B1，整流桥B1的输入端与EMC电路的输出端连接，整流桥B1的输出端与电源取电与维持线圈控制电路、信号采样电路、启动线圈与驱动电路连接。EMC电路来提高电路的抗干扰能力，最主要的由两个抗浪涌功率电阻和一个压敏电阻组成。

如图7所示，所述信号采样电路包括二极管D5，电阻R17，电阻R21，电阻R23，电阻R30，电容C11，电阻R26和二极管D7；二极管D5的正极与整流电路的输出端连接，二极管D5的负极与电源取电与维持线圈控制电路连接，电阻R17、电阻R21、电阻R23和电阻R30串联后电阻R17的一端与二极管D5的正极连接，电阻R30的一端接地，电阻R26的一端与电阻R23和电阻R30的中间节点连接，电阻R26的另一端与MCU电路的输入端连接，二极管D7的正极与电阻R26的另一端连接，二极管D7的负极与电源VCC连接。信号采样电路由分压电阻组成，外加二极管D7进行端口IO的保护。采样电路由分压电阻组成，外加二极管D7进行端口I0的保护，当外部电压下降到50％的额定电压时(或35％-70％额定电压间其它设定值)，单片机输出信号C1(PWM_Keep)使得C为逻辑0大约50ms，此时电源电路停振，不产生电源供给，整个控制电路的电源供给由电源转换电路中电容存储的电能提供。此时维持线圈内没有电流流经，电磁力消失，脱扣器在弹簧的作用下将断路器脱扣，完成欠压脱扣的实现。50ms以后C1(PWM_Keep)再产生前面的PWM波，电源电路重新起振，维持线圈内又产生电流。但由于目前电压值还处于欠压状态，没有启动线圈的作用，脱扣器还是维持一个脱扣的状态。如图4所示，所述电源转换电路包括电源转换芯片U4，极性电容C9，电阻R11，极性电容C6和电容C7；电源转换芯片U4的输入端与电源电路的输出端连接，极性电容C9的正极与电源转换芯片U4的输入端连接，极性电容C9的负极接地，电源转换芯片U4的输出端与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与极性电容C6和电容C7并联后的一端连接，极性电容C6和电容C7并联后的一端同时与MCU电路连接，极性电容C6和电容C7并联后的另一端接地。

下面结合图2-6说明本实用新型欠压脱扣器用电子控制电路的工作原理。

其控制输入为MCU电路(单片机)控制端输出信号C1(PWM_Keep)、C2(Square_Disable)，C1信号为单片机给出的PWM信号，C2信号为内部1kHz方波振荡器的使能信号，VDD为电源电路的输出。M0S管Q3的控制信号C＝A·B，其中信号A为C1(PWM_Keep)的逻辑非，信号B当C2(Square_Disable)为0时为自激产生的1kHz方波，当C2(Square_Disable)为1时为逻辑1。从外部电源经过EMC电路接入到线路板开始，该电源取电与维持线圈控制电路的工作过程如下：

1.MOS管Q3的D脚的脉动电压经由电阻R4、电阻R5、R6、R7、C4、D4组成的电压单元，在稳压管D4上形成一个电压VDD；

2.该电压VDD施加于逻辑与驱动电路，由于此时单片机还未启动，单片机控制端输出信号C1(PWM_Keep)、C2(Square_Disable)都为逻辑0，此时信号A为逻辑1，信号B为自激产生的1kHz方波；由于MOS管Q3的控制信号C＝A·B，故此时C也为1kHz方波；在该方波作用下MOS管Q3的D脚产生持续的脉动电压，在稳压管D4上形成一个电压稳定的VDD，进而电源转换电路产生稳定的VCC3.3V：

3.随后，单片机进入正常工作状态，其首先进行的操作是对控制信号C进行接管，使其脱离逻辑电路自激产生的1kHz方波的控制，使得控制信号C产生可以调节的PWM波，而不是固定频率的方波。M0S管Q3在控制信号C的控制下，一方面，根据输入电压值调节流经保持线圈的电流，使维持电磁力保持一个相对恒定状态，既能使得动铁芯保持吸合状态，整个线圈的温升又能在一定范围之内；另一方面使得后面产生震荡信号，使得稳压管D4能够提供一个稳定的电压值。接管控制信号C时，单片机所要做的事情是输出PWM信号C1(PWM_Keep)、置C2(Square_Disable)为逻辑1，逻辑电路停振。则此时的控制信号C为C1(PWM_Keep)的逻辑非。

4.单片机实时对输入电压进行采样，该信号由信号采样电路提供。信号采样电路由分压电阻组成，外加二极管D7进行端口I0的保护。当外部电压下降到50％的额定电压时(或35％-70％额定电压间其它设定值)，单片机输出信号C1(PWM_Keep)使得C为逻辑0大约50ms，此时电源电路停振，不产生电源供给，整个控制电路的电源供给由电源转换电路中电容存储的电能提供。此时维持线圈内没有电流流经，电磁力消失，脱扣器在弹簧的作用下将断路器脱扣，完成欠压脱扣的实现。50ms以后C1(PWM_Keep)再产生前面的PWM波，电源电路重新起振，维持线圈内又产生电流。但由于目前电压值还处于欠压状态，没有启动线圈的作用，脱扣器还是维持一个脱扣的状态。

5.当外部输入电压正常时，单片机产生一个控制信号(PWM Start)通过驱动电路作用于启动线圈T1B，启动线圈短时得电，形成较大的电磁力，克服弹簧，脱扣杆被吸回。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。