一种磁保持继电器驱动电路的设计

旦经验窒　旦　文章编号：１６７１—１０４１（２００８）０３—００６６—０２　仪器仪表用户　一种磁保持继电器驱动电路的设计　王凯，李杏春，王占国　（北京交通大学电气工程学院，北京１０００４４）　摘要：磁保持继电器是一种能耗低、稳定可靠的双稳态继电器，采用脉　冲驱动。本文介绍了一种通用的驱动电路，控制单元输出的两路　信号触发ＩＲ２１１０组成的驱动电路，驱动电路控制由ＭＯＳＦＥＴ搭接的Ｈ　桥主电路，实现磁保持继电器在两个稳态之间相互切换。总体结构简　单、通用。工作可靠。　关键词：磁保持继电器；脉冲；Ｈ桥　中图分类号：ＴＭ９２文献标识码：Ｂ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｓｅｌｆ－ｐｅｒｐｅｔｕａｔｉｎｇ　ｒｅｌａｙ　ＷＡＮＧ　Ｋａｉ，ＬＩ　Ｘｉｎｇ－ｃｈｕｎ，ＷＡＮＧ　Ｚｈａｎ－ｇｕｏ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｌｆ－ｐｅｒｐｅｔｕａｔｉｎｇ　ｒｅｌａｙ　ｉｓ　ａ　ｂｉｓｔａｂｌｅ　ｒｅｌａｙ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｌｏｗ　ｐｏｗ－　ｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｓｔａｂｌｙ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｓ　ｄｒｉｖｅｎ　ｂｙ　ｉｍｐｕｌｓｅ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａ－　ｐｅｒ，ａ　ｃｏｍｍｏｎ　ｄｒｉｖｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｗｏ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｆｒ０ｍ　ＣＰＵ　ｔｒｉｇｇｅｒ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｂｙ　ｃｈｉｐ　ＩＲ２ｌ　ｌ０，ｄｒｉｖｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃｏｎ－　ｔｒｏｉｓ　ｔｈｅ　Ｈ－ｂｒｉｄｇｅ　ｍａｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｓｓｅｍｂｌｅｄ　ｂｙ　ＭＯＳＦＥＴ，ＳＯ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｂｉ－　ｓｔａｂｌｅ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｓｅｌｆ—ｐｅｒｐｅｔｕａｔｉｎｇ　ｒｅｌａｙ　ｃａｎ　ｃｏｎｖｅ￣ｅｄ　ｓｔａｂｌｙ．Ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｅ－ｄｅｓｉｇｎ，ｕｎｉｖｅｒｓａｌ－ｕｓｅｄ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ－ｗｏｒｋｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｅｌｆ－ｐｅｒｐｅｔｕａｔｉｎｇ；ｉｍｐｕｌｓｅ；Ｈ　ｂｒｉｄｇｅ．　１　引言　随着微电子技术，特别是电子器件的迅猛发展，要求与之　配合的继电器的功耗应尽量小。尤其是用于人造卫星、导弹、　飞船、飞机等设备的继电器，不仅要求其体积小、质量轻、工作　可靠，更重要的是要求其能量消耗要小。近年来，磁性材料应　用技术开发的步伐逐步加快，磁性器件也在朝着小型化的方　向发展，在这种大环境下，作为一种小型继电器一一磁保持继　电器也得到了充分的发展。　磁保持继电器能在脉冲的作用下进行动作，并在无电源　消耗的情况下长期保持在一定的位置，即保持在最后一个脉　冲指令的状态。由于具有双稳态和记忆的功能，且能耗低，因　此磁保持继电器广泛运用于航天、铁路以及电气量测量等　领域。　２磁保持继电器的原理　磁保持继电器的种类比较多，在此仅以其中一种为例进　行介绍：自保持和复原线圈分开的带有永磁体的磁保持继电　器。其原理如图１所示。　该继电器触点为单刀双掷结构，其磁路为”跷跷板”式动　作结构，左侧磁路和右侧磁路为对称结构分布，衔铁以永磁体　的刃口为支点转动。当两个工作线圈中都没有电流时，永磁　体产生的磁通　和　：分别通过左侧和右侧气隙，所产生的　吸力分别为Ｆ　和Ｆ　：。在结构完全对称的情况下，衔铁处于叶１　间位置时，左右侧气隙相等，因此：　１＝　，　１＝Ｆｍ２　衔铁将处于中间平衡位嚣，如图１所示。但这种平衡如果　没有外力维持，是不稳定的，如果有某种偶然因素，衔铁将偏　向某一侧。假设偏向左侧，衔铁的触点同时与公共点Ｏ、端子Ｂ　的触点相接触，此时端子Ｂ与公共端０通过衔铁接通。　６６　ＥｌＣ　ＶＯ１．１５　２００８　Ｎｏ．３　当右侧线圈通过电流Ｉ时，其产生的工作磁通　将贯穿两　侧的气隙，使得左侧气隙合成磁通（ｂ．和右侧气隙合成磁通　分别为：　（ｂｌ＝（ｂ　ｌ一（ｂ　，（ｂ２＝（ｂｍ２＋（ｂ　他们产生的吸力分别为Ｆ　和　当电流Ｉ足够大时，使得　（ｂ：＞（ｂ。，Ｆ　＞Ｆ。，于是衔铁开始向右偏转。衔铁一经触动，就　会使左侧气隙增大而右侧气隙减小，这将导致　越来越小，而　Ｆ：越来越大，衔铁的偏转就会越来越快，最终快速地倒向右　侧，此时端子Ａ与公共端０通过衔铁接通。　从以上的结构原理和工作过程分析可以看出，磁保持继　电器的显著特点是，只需在线圈中通过一定方向和大小的脉　冲电流，就可以实现工作状态的转换，即采用脉冲来驱动，并且　在线圈断电（脉冲消失）后可自保持。　本设计中采用脉冲驱动磁保持继电器，脉冲驱动的主要　优点为：　（１）节约电能，线圈不需要连续通电，使线圈发热降到最　低程度；　（２）停电时，仍保持原有状态，即具有“记忆”功能；　（３）可采用过激励，因而具有更快的动作速度。　这种磁保持继电器除了可以采用多种形式的脉冲驱动、　消耗电能少的特点外，还具有灵敏度高、动作迅速、磁效率高、　触点的接触稳定性好、能耐受高的冲击与振动以及可靠性高　等优点。　３　控制电路的硬件结构　本设计的控制对象是ＢＳＴ一９０２．１２０Ａ三相磁保持继电器，　是专门为大电流规格三相四线电子式预付费电能表设计、生　产的一种新型电流切换装置，它采用电网交流电直接整流驱　动。控制电路的总体结构图如图２所示。　图１磁保持继电器原理腰｝２控　悒路总体结构　这个控制电路具有一定的通用性，所以控制单元根　据磁保持继电器的应用场合和具体设计的不同而不同。电源　模块主要有三部分：为控制单元供电，电压一般是５Ｖ或者　３．３Ｖ；给驱动电路供电，这部分电压是１２Ｖ；磁保持继电器的驱　动电源，由市电三相半波整流而来，如图４所示。　隔离电路将控制单元和功率电路在电气上完全隔离开　来，这样切断了功率电路的噪声干扰路径，使控制单元能够更　加稳定的工作。这里采用的光耦器件是常见的４Ｎ３５。　３．１　驱动电路的设计　驱动电路采用了美国ＩＲ公刊生产的ＩＲ２１００芯片，每个　ＩＲ２１１０可以驱动一个半桥，两个可以驱动Ｈ桥主电路。驱动　ＩＧＢＴ或ＭＯＳＩ￣’ＥＴ的高压信号由ＩＲ２１　１０的自举功能产生。根据　欢迎光临本刊网站ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｉｃ．ｃｏｍ．ｃＮ　维普资讯 http://www.cqvip.com

仪器仪表用户　口经验交流口　ＩＲ２１１０芯片的内部结构外部高端侧悬浮驱动的自举原理，依　考虑到磁保持继电器是脉冲驱动，对电源的要求不高，所以其　照全桥的驱动要求，设计如图３的驱动电路如下。　驱动电源采用三相半波整流而来，这种驱动电源设计简单可　靠、成本低廉、体积小，尤其适合于预付费电能计量系统。　Ｈｏｌ、Ｈｏ２和Ｌｏｌ、Ｌｏ２分别是来至驱动电路的两组互锁的驱动　信号。　‘　世童　１１Ｏ　ｊ　ｌ　１０ｌ　＿１而—　ｓｐ…｛　—亏一　ｌ一　图３驱动电路　３．１．１　输入信号ＩＮ１和ＩＮ２互异　当输入信号ＩＮ１为高电平有效时，ｕ１的ＨＯ１和ｕ２的Ｌ０２　要同时输出驱动电平，进而控制Ｔ１与Ｔ４管（参考图４）同时开　通；反之，当ＩＮ２为高电平有效时，通过此种逻辑关系，可以使　Ｔ２与Ｔ３（参考图４）同时开通，达到控制继电器的目的。　３．１．２　管脚ｌ１一一ＳＤ端处理　由于ＳＤ端属于芯片的保护端，当其为高电平时，即锁定了　Ｈ聋｝｝主电路固５控制程序框图　所有输出电平。因此在此具体应用中，需将ＳＤ端有效接地，才　４控制程序的设计　能保证电路的正常工作。　控制单元只需要根据具体环境条件控制ＩＮ１和ＩＮ２　３．１．３　自举电容计算与选择　两个引脚输出一定宽度的脉冲，就可以控制磁保持继电器的　图３中自举电容ｃ　和ｃ　是ＩＲ２１１０在应用时需要严格挑　两个稳态切换。脉冲的输出可以由中断触发，这里假设由外中　选和设计的元器件，应根据一定的规则对其进行调整，才能使　断触发。程序框图如图５。　电路工作在最佳状态。　工程应用中，取自举电容：　５效果与结论　在实验室以８９Ｃ５１单片机作为控制单元，制作好各　ｃ＞　部分硬件电路，设计出程序后进行实验。磁保持继电器能够稳　式中，Ｑ　为ＭＯＳＦＥＴ门极提供的栅电荷。假定自举电容充　定的在通断态之间迅速切换，且切换后状态保持稳定，多次实　电路径上有１．５Ｖ的压降（包括ＶＤ．的正向压降），则在器件开　验效果良好。　通后，自举电容两端电压比器件充分导通所需要的电压（１０Ｖ）　可见，应用此方案能够有效的避免了现有常用的”有触电　要高。　式”控制方案中体积庞大，故障率高，控制不可靠，功耗较大等　同时，在选择自举电容大小时，应综合考虑悬浮驱动的最　的缺点，达到了预期的功能和效果，实现了对磁保持继电器的　宽导通时间ｔｏｎ（ｍａｘ）和最窄导通时间ｔｏｎ（ｒａｉｎ）。导通时问既　快速而可靠控制，而且成本极其低廉。文中的控制电路可用于　不能太大影响窄脉冲的驱动性能，也不能太小而影响宽脉冲　各种场合，例如预付费电能表系统、工业配电柜等。口　的驱动要求。根据功率器件的工作频率、开关速度、门极特性　参考文献　对导通时间进行选择，估算后经调试而定。　［１］阎健．电磁继电器和固态继电器在回收电路中的应用．航天返　３．１．４自举二极管选择　回与遥感，２００２，（３）　主要用于阻断直流干线上的高压，其承受的电流是栅极　［２］吴凤江，高晗璎，孙力．桥式拓扑结构功率ＭＯＳＦＥＴ驱动电路　电荷与开关频率之积。为了减少电荷损失，应选择反向漏电　设计．哈尔滨工业大学学报，２００２，４３（２）：２Ｏ～２５．　流小的快恢复二极管。　［３］钟静宏，张承宁．基于脉冲电源的ＭＯＳＦＥＴ驱动电路研究及应　３．２　Ｈ桥主电路的设计　用．航空精密制造技术，２００６，（３）：５７—５９．　Ｈ桥电路在驱动信号的驱动下，使继电器线圈通过双向脉　［４］Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｎｏｔｅ　ＡＮ一９７８　ａｂｏｕｔ　ＨＶ　Ｆｌｏａｔｉｎｇ　ＭＯＳ—Ｇａｔｅ　Ｄｒｉｖｅｒ　冲电流，从而改变继电器的通断状态。　ＩＣｓ，２００２．　电路如图４所示。作为负载的磁保持继电器内部是感性　作者简介：王凯（１９８４一），男。北京交通大学电气工程学院在读研究　线圈，通态电阻较小，且负载上面的电流、电压不能突变。因此　生，主要研究方向：计算机测控和仪器仪表。　Ｈ桥主电路的ＭＯＳＦＥＴ端设计常见的ＲＣＤ吸收电路。同时，　收稿日期：２００７—１１—２１（７７０３）　欢迎赐稿欢迎订阅　欢迎刊登广告　仪器仪表用户杂志‘用户自己的刊物　介绍国内外仪器仪表行业的新技术、新产品、新工艺、新应用，用户杂志伴你事业共同发展　全国各地邮局均可订阅，全年六期，５２．８０元，邮局订阅代号：１８—２２６　欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息　ＥＩＣ　ＶＯＩ．１５　２００８　Ｎｏ．３　６７