CN119230336A - 一种继电器的加速开通关断电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及继电器技术领域，具体来说，涉及一种继电器的加速开通关断电路。该电路包括电源模块、直流降压模块、控制模块和低压驱动模块。本发明中，低压驱动模块内的电容C9预先充电，在三极管VT1导通后，电容C9上的电压与电源电压叠加，共同作用于继电器KM1的线圈，从而实现继电器的快速启动。在继电器断开时，通过续流二极管D2和恢复二极管D3迅速释放存储的能量，加快继电器的关断过程。特别地，电路的设计能够产生相当于两倍电源电压的驱动电压，使得低压电路能够有效驱动更高电压等级的继电器，提高了系统的灵活性和响应速度。通过这种方式，不仅实现了继电器的快速响应，还简化了电路结构并降低了能耗。

Description

一种继电器的加速开通关断电路

技术领域

本发明涉及继电器技术领域，具体地说，涉及一种继电器的加速开通关断电路。

背景技术

电磁继电器作为一种基本的自动控制器件，被广泛应用于各种电气控制系统中。它能够在满足特定输入条件时，在一个或多个输出电路中实现自动且快速的切换功能。继电器的工作原理主要是通过电磁力来控制内部触点的状态，从而实现电路的接通或断开。在设计继电器的驱动电路时，需要考虑多方面的因素，例如继电器的具体功能需求，包括触点的数量、继电器的尺寸、重量、安装尺寸以及安装方式等物理特性，同时还需要关注继电器的密封性能以适应不同的工作环境。

在选择继电器的激励驱动电压时，通常依据整个电路系统的电源电压来进行匹配。例如，在小型安防系统中，一般使用的是12V直流电源。这是因为12V直流电压不仅安全，易于处理，而且能够有效地驱动大多数小型继电器和其他电子控制组件。12V直流电源同样适用于为诸如LED灯和监控摄像头这样的低功耗设备供电，使得整个系统的设计更为统一且便于维护。

然而，在某些特殊情况下，系统可能会使用到大功率警报器，此时会用到24V继电器，针对这种情况，一般会在系统电路中多增加一组24V的电源电路，增加额外的电源电路会增加系统的复杂性，这意味着更多的硬件组件和布线，进而增加了安装时间和成本，并且24V电源电路在系统中的使用率不高，会导致资源的浪费。并且，在安防系统中，也需要继电器快速开通关断以提高系统的响应速度和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种继电器的加速开通关断电路，以解决低压电源电路中使用大功率电器，需要多增加另一组电源电路的问题。

为实现上述目的，提供了一种继电器的加速开通关断电路，包括电源模块、直流降压模块、控制模块和低压驱动模块；

所述电源模块用于将市电转换为直流12V的电压，为直流降压模块与低压驱动模块供电；

所述直流降压模块用于将直流12V降压为直流5V，为控制模块供电；

所述控制模块负责接收外部控制信号并向低压驱动模块发送驱动信号；

所述低压驱动模块用于驱动继电器工作，其中：

所述低压驱动模块设置有电阻R2，所述电阻R2一端连接控制模块，所述电阻R2另一端接三极管VT1基极，所述三极管VT1发射极接地，所述三极管VT1集电极接电阻R3、电阻R4和电容C9正极，所述电阻R3另一端接直流电源和三极管VT2发射极，所述电阻R4另一端接三极管VT2基极，所述电容C9负极接继电器KM1线圈和二极管D3，所述继电器KM1线圈另一端接三极管VT2集电极，所述继电器KM1线圈并接二极管D2。

作为本技术方案的进一步改进，所述电源模块设置有变压器T1，所述变压器T1一次侧绕组连接点a接热敏电阻NTC，所述热敏电阻NTC另一端接保险丝FUSE，所述保险丝FUSE另一端接220V交流电火线，所述变压器T1一次侧绕组连接点b接220V交流电零线，所述变压器T1一次侧绕组并接电容C1和压敏电阻ZR1。

作为本技术方案的进一步改进，所述变压器T1二次侧绕组连接点c接电容C2和整流桥堆UP的L端，所述变压器T1二次侧绕组连接点d接电容C3和整流桥堆UP的N端，所述电容C2另一端和电容C3另一端接地线PE，所述整流桥堆UP的输出端输出+12V直流电压，所述整流桥堆UP的GND端接地，所述整流桥堆UP的输出端和GND端并接电容C4。

作为本技术方案的进一步改进，所述直流降压模块设置有DC-DC转换器UXL，所述DC-DC转换器UXL输入端VIN连接+12V直流电压、电容C5正极和电容C6，所述DC-DC转换器UXL输出端OUT接瞬态抑制二极管D1阴极和电感L2，所述电感L2另一端输出+5V直流电压，所述DC-DC转换器UXL的反馈端FB连接电容C7正极和电感L2另一端，所述DC-DC转换器UXL的接地端GND、电容C5负极、电容C6、瞬态抑制二极管D1阳极和电容C7负极接地。

作为本技术方案的进一步改进，所述控制模块设置有微控制器U1，所述微控制器U1的VDD端口接入+5V直流电压，所述微控制器U1的GPIO1端口连接发光二极管LED1阴极，所述发光二极管LED1阳极连接电阻R1，所述电阻R1另一端接+5V直流电压和电容C8，所述电容C8另一端接地，所述微控制器U1的GND端口接地，所述微控制器U1的GPIO2端口为数字量输入接口，用于接收开关量信号、脉冲信号或其他形式的数字信号，所述微控制器U1的GPIO3端口为数字量输出接口，用于输出低压驱动模块的信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、该继电器的加速开通关断电路中，通过低压驱动模块中电阻R2、电阻R3、电阻R4以及电容C9的配置，即使在低压（如12V）条件下，也能产生足以驱动更高电压等级继电器（如24V继电器）所需的驱动电压。由于电路能够产生相当于两倍电源电压的驱动电压，使得低压电路能够有效地驱动更高电压等级的继电器，提高了系统的灵活性和响应速度，避免了传统方案中因需要增加额外电源电路而导致的系统复杂性和成本增加的问题。

2、该继电器的加速开通关断电路中，通过在低压驱动模块中采用电容C9预先充电的设计，当三极管VT1导通时，电容C9上的电压与电源电压叠加，共同作用于继电器KM1的线圈，这使得继电器能够更快地启动。这种设计不仅加快了继电器的响应时间，同时也减小了继电器线圈在启动瞬间的大电流冲击，延长了继电器的使用寿命。

3、该继电器的加速开通关断电路中，通过使用续流二极管D2和恢复二极管D3，在继电器断开时迅速释放存储在线圈中的能量，加快了继电器的关断过程。这一设计减少了继电器线圈在断开瞬间产生的反向电动势，有助于减少能量损耗，进而提高了整体系统的能效比，实现了节能的效果。此外，快速释放能量也有助于降低继电器触点间的电弧发生几率，提升了系统的稳定性和安全性。

附图说明

图1为本发明的模块组成图。

图2为本发明电源模块的电路图。

图3为本发明直流降压模块的电路图。

图4为本发明控制模块的电路图。

图5为本发明低压驱动模块的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图5所示，本实施例目的在于，提供了一种继电器的加速开通关断电路，包括电源模块、直流降压模块、控制模块和低压驱动模块；

电源模块用于将市电转换为直流12V的电压，为直流降压模块与低压驱动模块供电；

直流降压模块用于将直流12V降压为直流5V，为控制模块供电；

控制模块负责接收外部控制信号并向低压驱动模块发送驱动信号；

低压驱动模块用于驱动继电器工作。

电源模块通过变压器T1将220V交流电转换为一个适合后续电路使用的较低电压。变压器T1的一次侧绕组连接点a接热敏电阻NTC，该热敏电阻可以在电路启动时限制电流，防止过大的浪涌电流损坏电路。热敏电阻NTC的另一端连接保险丝FUSE，保险丝FUSE的作用是在电流过大时熔断，保护电路免受损害。保险丝FUSE的另一端连接至220V交流电的火线，而变压器T1一次侧绕组（即初级绕组）连接点b则连接至220V交流电的零线。为了保护电路，变压器T1一次侧绕组还并接了电容C1和压敏电阻ZR1。电容C1有助于改善电路的功率因数，而压敏电阻ZR1则能在电压突变时吸收多余能量，保护电路不受损坏。变压器T1的二次侧绕组（即次级绕组）连接点c接电容C2和整流桥堆UP的L端，连接点d接电容C3和整流桥堆UP的N端。电容C2和电容C3的另一端接地线PE，它们起到滤波的作用，减少电压波动。整流桥堆UP输出+12V直流电压，其GND端接地，输出端和GND端之间并接电容C4用于进一步滤波，确保输出电压的稳定性。

直流降压模块通过DC-DC转换器UXL将+12V直流电压降压为+5V直流电压。DC-DC转换器UXL的输入端VIN连接+12V直流电压、电容C5正极和电容C6，电容C5和电容C6帮助平滑输入电压。DC-DC转换器UXL的输出端OUT接瞬态抑制二极管D1的阴极和电感L2，电感L2的另一端输出+5V直流电压。瞬态抑制二极管D1可以吸收输出端可能出现的电压尖峰，保护电路。DC-DC转换器UXL的反馈端FB连接电容C7正极和电感L2的另一端，用于保持输出电压的精确度。DC-DC转换器UXL的接地端GND、电容C5负极、电容C6、瞬态抑制二极管D1阳极和电容C7负极均接地，确保电路的安全运行。

控制模块设置了微控制器U1，微控制器U1的VDD端口接入+5V直流电压，为其供电。GPIO1端口连接发光二极管LED1的阴极，LED1的阳极连接电阻R1，电阻R1的另一端接+5V直流电压和电容C8，电容C8的另一端接地。电阻R1和电容C8组合形成一个简单的滤波网络，同时限制流入发光二极管LED1的电流，发光二极管LED1提供操作者关于系统操作状态的即时反馈。微控制器U1的GND端口接地，确保微控制器的参考地电位稳定。GPIO2端口为数字量输入接口，用于接收来自外部的开关量信号、脉冲信号或其他形式的数字信号。GPIO3端口为数字量输出接口，用于输出低压驱动模块所需的驱动信号，控制继电器的操作。

低压驱动模块中，电阻R2起到限流的作用，它位于控制模块和三极管VT1之间，用来限制流入三极管VT1基极的电流，确保三极管VT1不会因过大的电流而损坏，同时保证三极管VT1的正常导通。三极管VT1是一个开关元件，当从控制模块接收到信号时，三极管VT1导通，允许电流从其集电极流向发射极，进而触发后续电路的动作。三极管VT1的发射极接地，保证了当三极管VT1关闭时，电路处于断开状态。三极管VT1的集电极连接了电阻R3、电阻R4和电容C9的正极，其中电阻R3和电阻R4构成了分压网络，用于调整VT2基极的电压，进而控制VT2的导通状态。电容C9预先充电，当三极管VT1导通时，电容C9上的电压与电源电压叠加，共同作用于继电器KM1的线圈上，这样能够使继电器启动得更快。电容C9的负极连接继电器KM1的线圈和二极管D3，意味着当继电器线圈需要能量来激活时，电容C9会释放预先储存的能量。继电器KM1的线圈另一端接在VT2的集电极，这是继电器线圈的主要电源路径。继电器KM1线圈并联了续流二极管D2，当继电器断开时，续流二极管D2可以提供一个路径让线圈中的磁场能量以电流的形式释放出来，从而加快继电器的关断过程，减少线圈断开瞬间产生的反向电动势，降低能量损耗，提升系统能效比。另外，继电器KM1线圈还连接了恢复二极管D3，二极管D3的作用是在继电器断开时迅速释放存储在线圈中的能量，进一步加快继电器的关断过程。

工作原理：

本发明中，假设电压U1是使继电器开始吸合的电压，电压U2是使继电器开始释放时的电压，电压U3为正常工作电压，即额定电压。它们之间的关系有U3/U1=Ka，且Ka≥1.5，U2/U1=Kh，且Kh≤0.3，式中Ka为“安全系数”，Kh为“恢复系数”。通过它们之间的电压关系可知继电器可在U2与U1之间保持吸合状态，也即使继电器在额定电压下吸合，一旦吸合后其电压可降低一半，甚至更低，而不影响其状态。该电路的启动电压为10VDC，释放电压为7VDC，正常工作电压为12VDC，电压关系为U3/U1=Ka≥1.5，U2/U1=Kh≤0.3，工作温度范围为-20°C至+70°C，最大负载电流为1A。

电源模块将220V交流电转换为12V直流电，并为直流降压模块和低压驱动模块供电。直流降压模块通过DC-DC转换器UXL将12V直流电压降压至5V直流电压，为控制模块中的微控制器U1供电。控制模块包括微控制器U1，负责接收外部控制信号并向低压驱动模块发送驱动信号。低压驱动模块在接通电源时，三极管VT1、三极管VT2截止，继电器KM1不动作，即使由于电容C9的瞬间充电使三极管VT2导通，而继电器KM1上也仅有约12V电压仍无法吸合。电容C9快速充电至12V，当驱动信号使三极管VT1导通时，三极管VT2也导通，此时电源电压与电容C9上的电压叠加后约为24V并加在继电器KM1上使其吸合。电容C9迅速放电后继电器KM1上的电压降为电源电压12V，即处于半压保持状态。通过电容C9预先充电，当三极管VT1导通时，电容C9上的电压与电源电压叠加，使继电器KM1的线圈快速启动，加快响应时间。

当微控制器U1停止向低压驱动模块发送驱动信号时，三极管VT1将截止，不再导通。三极管VT1的截止导致三极管VT2失去导通信号而截止。随着三极管VT2的截止，继电器KM1线圈失去电流供给，继电器线圈内的电磁场迅速消失，继电器触点断开，继电器线圈内的磁场能量将通过续流二极管D2形成闭合回路，释放出之前存储的能量，从而减少线圈断开瞬间产生的反向电动势。恢复二极管D3辅助释放剩余能量，确保继电器线圈中的能量能够迅速释放完毕，加快继电器的关断过程。通过续流二极管D2和恢复二极管D3，迅速释放线圈中的能量，加快继电器的关断过程，减少能量损耗。这些设计不仅提高了继电器的响应速度，还显著降低了能量损耗，延长了继电器的使用寿命，并提高了系统的稳定性和安全性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明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发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种继电器的加速开通关断电路，其特征在于：包括电源模块、直流降压模块、控制模块和低压驱动模块；

所述电源模块用于将市电转换为直流12V的电压，为直流降压模块与低压驱动模块供电；

所述直流降压模块用于将直流12V降压为直流5V，为控制模块供电；

所述控制模块负责接收外部控制信号并向低压驱动模块发送驱动信号；

所述低压驱动模块用于驱动继电器工作，其中：

所述低压驱动模块设置有电阻R2，所述电阻R2一端连接控制模块，所述电阻R2另一端接三极管VT1基极，所述三极管VT1发射极接地，所述三极管VT1集电极接电阻R3、电阻R4和电容C9正极，所述电阻R3另一端接直流电源和三极管VT2发射极，所述电阻R4另一端接三极管VT2基极，所述电容C9负极接继电器KM1线圈和二极管D3，所述继电器KM1线圈另一端接三极管VT2集电极，所述继电器KM1线圈并接二极管D2。

2.根据权利要求1所述的继电器的加速开通关断电路，其特征在于：所述电源模块设置有变压器T1，所述变压器T1一次侧绕组连接点a接热敏电阻NTC，所述热敏电阻NTC另一端接保险丝FUSE，所述保险丝FUSE另一端接220V交流电火线，所述变压器T1一次侧绕组连接点b接220V交流电零线，所述变压器T1一次侧绕组并接电容C1和压敏电阻ZR1。

3.根据权利要求2所述的继电器的加速开通关断电路，其特征在于：所述变压器T1二次侧绕组连接点c接电容C2和整流桥堆UP的L端，所述变压器T1二次侧绕组连接点d接电容C3和整流桥堆UP的N端，所述电容C2另一端和电容C3另一端接地线PE，所述整流桥堆UP的输出端输出+12V直流电压，所述整流桥堆UP的GND端接地，所述整流桥堆UP的输出端和GND端并接电容C4。

4.根据权利要求1所述的继电器的加速开通关断电路，其特征在于：所述直流降压模块设置有DC-DC转换器UXL，所述DC-DC转换器UXL输入端VIN连接+12V直流电压、电容C5正极和电容C6，所述DC-DC转换器UXL输出端OUT接瞬态抑制二极管D1阴极和电感L2，所述电感L2另一端输出+5V直流电压，所述DC-DC转换器UXL的反馈端FB连接电容C7正极和电感L2另一端，所述DC-DC转换器UXL的接地端GND、电容C5负极、电容C6、瞬态抑制二极管D1阳极和电容C7负极接地。

5.根据权利要求1所述的继电器的加速开通关断电路，其特征在于：所述控制模块设置有微控制器U1，所述微控制器U1的VDD端口接入+5V直流电压，所述微控制器U1的GPIO1端口连接发光二极管LED1阴极，所述发光二极管LED1阳极连接电阻R1，所述电阻R1另一端接+5V直流电压和电容C8，所述电容C8另一端接地，所述微控制器U1的GND端口接地，所述微控制器U1的GPIO2端口为数字量输入接口，用于接收开关量信号、脉冲信号或其他形式的数字信号，所述微控制器U1的GPIO3端口为数字量输出接口，用于输出低压驱动模块的信号。