阅读说明：本技术 一种驱动继电器快速通断的控制电路 (Control circuit for driving relay to be switched on and off rapidly ) 是由 房占凯 徐光健 杨自清 陈果 方浩 马辉 刘霜 于 2020-07-23 设计创作，主要内容包括：一种驱动继电器快速通断的控制电路,包括继电器,继电器的线圈第一节点通过升压电路连接电源,继电器的线圈第二节点通过开关控制电路接收继电器驱动信号,升压电路包括PNP型三极管、第一电阻、第二电阻、储能电容、第一二极管,PNP型三极管的发射极、第一二极管的正极与电源连接,PNP型三极管的基极经第一电阻与电源连接,PNP型三极管的集电极、储能电容的负极经第三电阻接地,第一二极管的负极、储能电容的正极连接继电器的线圈第一节点,开关控制电路包括NPN型三极管、第四电阻,PNP型三极管的基极经第二电阻、稳压管连接NPN型三极管的集电极、继电器的线圈第二节点,NPN型三极管的基极经第四电阻接收继电器驱动信号,NPN型三极管的发射极接地。(A control circuit for driving a relay to be rapidly switched on and off comprises the relay, wherein a first coil node of the relay is connected with a power supply through a boost circuit, a second coil node of the relay receives a relay driving signal through a switch control circuit, the boost circuit comprises a PNP type triode, a first resistor, a second resistor, an energy storage capacitor and a first diode, an emitting electrode of the PNP type triode and an anode of the first diode are connected with the power supply, a base electrode of the PNP type triode is connected with the power supply through the first resistor, a collector electrode of the PNP type triode and a cathode of the energy storage capacitor are grounded through a third resistor, a cathode of the first diode and an anode of the energy storage capacitor are connected with the first coil node of the relay, the switch control circuit comprises an NPN type triode and a fourth resistor, a base electrode of the PNP type triode is connected with a collector electrode of the NPN type triode and a second coil node, the base electrode of the NPN type triode receives the relay driving signal through the fourth resistor, and the emitting electrode of the NPN type triode is grounded.)

一种驱动继电器快速通断的控制电路

技术领域

本发明涉及继电器的驱动控制技术领域，特别涉及一种驱动继电器快速通断的控制电路。

背景技术

继电器在我们的日常生活及各行各业中都扮演着重要的角色，例如生活中的插卡取电开关、触摸门铃，以及轨道交通中的屏蔽门的驱动、电力设备中低压小电流控制高压大电流、变频器及有源电力滤波器电路的预充电保护等。继电器由线圈和触点构成，具有开通和关断两种工作状态，当开通继电器时，在触点吸合的过程中需要较高的电压为触点吸合提供足够的能量，而触点吸合后只需要较低的电压就能使触点保持吸合状态，如果为了保证继电器的可靠开通，在触点吸合时以及触点吸合后一直保持高电压，很容易导致继电器的线圈发热严重，从而造成继电器损坏。针对这种情况，目前常用的解决方法如下：

方法一：如图3所示，利用继电器关闭时线圈的短暂续流吸合保持原理，在吸合时通过持续数秒的高电平保证继电器能可靠吸合，继电器吸合后，采用PWM驱动，当PWM波处于波谷时，由线圈的续流特性使继电器仍然保持吸合状态。这种方法虽然能降低继电器线圈的发热，且不需要使用双电压，但是需要在继电器的两端并联二极管，容易导致继电器关断延迟，若继电器在设备发生故障时不能迅速关断，容易造成设备损坏，而且，采用PWM控制继电器开通和关断时，需要PWM波形的高低电平的驱动时间相同，因此正常驱动的时间较长，对PWM驱动信号的波形要求较高。

方法二：如图4所示，采用双电压驱动的方式，高驱动电压VH经限流电阻R8连接储能电容C4，低驱动电压VL经二极管D5连接储能电容C4。继电器未工作时，高驱动电压VH为储能电容C4充电，保证有足够的电压能驱动继电器的触点吸合；继电器吸合后，高驱动电压VH在限流电阻R8的作用下停止驱动继电器，由低驱动电压VL继续对继电器供电，从而降低继电器线圈的发热情况，但是这种方式需要双电源供电，对电源的要求较高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种驱动继电器快速通断的控制电路，其能实现继电器的快速开通、快速关断，降低继电器的线圈损耗以及线圈发热。

本发明的技术方案是：一种驱动继电器快速通断的控制电路，包括继电器，所述继电器的线圈第一节点通过升压电路连接电源，继电器的线圈第二节点通过开关控制电路接收继电器驱动信号，所述升压电路包括一PNP型三极管、第一电阻、第二电阻、储能电容、第一二极管，所述PNP型三极管的发射极、第一二极管的正极与电源连接，PNP型三极管的基极经第一电阻与电源连接，PNP型三极管的集电极、储能电容的负极经第三电阻接地，第一二极管的负极、储能电容的正极连接继电器的线圈第一节点，PNP型三极管的基极依次经第二电阻、稳压管连接开关控制电路，所述开关控制电路包括NPN型三极管、第四电阻，所述NPN型三极管的集电极分别连接稳压管的负极、继电器的线圈第二节点，NPN型三极管的基极经第四电阻接收继电器驱动信号，NPN型三极管的发射极接地。

所述第一二极管采用肖特基二极管。

所述NPN型三极管的集电极与发射极之间并联第二二极管，该第二二极管的正极与NPN型三极管的发射极连接，第二二极管的负极与NPN型三极管的集电极连接。

所述储能电容为电解电容。

所述NPN型三极管可采用N型场效应管，该N型场效应管的栅极与继电器驱动信号连接，N型场效应管的漏极连接继电器的线圈第二节点，N型场效应管的源极接地。

所述NPN型三极管的基极与地之间并联一RC滤波电路，该RC滤波电路由并联的第五电阻、第二电容构成。

采用上述技术方案：所述继电器的线圈第一节点通过升压电路连接电源，继电器的线圈第二节点通过开关控制电路接收继电器驱动信号，即通过这两个电路来实现继电器的开通和关断。升压电路包括一PNP型三极管、第一电阻、第二电阻、储能电容、第一二极管，所述PNP型三极管的发射极、第一二极管的正极与电源连接，PNP型三极管的基极经第一电阻与电源连接，PNP型三极管的集电极、储能电容的负极经第三电阻接地，第一二极管的负极、储能电容的正极连接继电器的线圈第一节点，通过该升压电路可以对储能电容充电，为开通继电器储备足够大的能量，并且在继电器开通后由低电压使继电器保持开通状态。PNP型三极管的基极依次经第二电阻、稳压管连接开关控制电路，所述开关控制电路包括NPN型三极管、第四电阻，所述NPN型三极管的集电极分别连接稳压管的负极、继电器的线圈第二节点，NPN型三极管的基极经第四电阻接收继电器驱动信号，NPN型三极管的发射极接地，该开关控制电路通过接收继电器驱动信号，对继电器的开通、关断进行控制，由于采用的是NPN型三极管，因此当继电器驱动信号为低电平时，NPN型三极管关断，通过升压电路对储能电容充电，当继电器驱动信号为高电平时，NPN型三极管开通，继电器的线圈第一节点的瞬时电压上升，从而使继电器快速开通，且继电器开通后线圈第一节点的电压同时下降，使继电器在较小的电压下保持开通状态。当继电器驱动信号由高电平转为低电平时，NPN型三极管关断，继电器也关断，由于稳压管连接在第二电阻与继电器的线圈第二节点之间，在继电器关断时该稳压管能阻断线圈的续流作用，从而加快继电器的关断。由此可知，本控制电路能实现继电器的快速开通和关断，并且在通过高电压驱动继电器开通后，能使继电器在低电压下保持开通状态，降低继电器的线圈损耗和发热情况，还能防止继电器关断时的反向电动势对NPN型三极管造成冲击，对电路器件起到保护作用，此外，本控制电路只需通过单电源供电，极大地简化了电源电路。

所述第一二极管采用肖特基二极管，开关速度快，当继电器线圈断电时，可以很快建立续流通道，防止线圈过高的反向电动势冲击NPN型三极管。

所述NPN型三极管的集电极与发射极之间并联第二二极管，该第二二极管的正极与NPN型三极管的发射极连接，第二二极管的负极与NPN型三极管的集电极连接，避免NPN型三极管反向导通，起到保护电路器件的作用。

所述NPN型三极管的基极与地之间并联一RC滤波电路，该RC滤波电路由并联的第五电阻、第二电容构成，对继电器驱动信号起到滤波作用。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的电路原理图；

图2为本发明的一种实施例的电路原理图；

图3为现有的PWM驱动继电器的电路原理图；

图4为现有的双电压驱动继电器的电路原理图。

具体实施方式

参见图1至图2，一种驱动继电器快速通断的控制电路，包括继电器Y1，所述继电器Y1的线圈第一节点通过升压电路连接电源，继电器Y1的线圈第二节点通过开关控制电路接收继电器驱动信号，即通过升压电路和开关控制电路共同实现继电器Y1的开通和关断。所述升压电路包括一PNP型三极管Q1、储能电容C1、第一二极管D1，以及用于分压的第一电阻R1和第二电阻R2，所述PNP型三极管Q1的发射极、第一二极管D1的正极与电源连接，PNP型三极管Q1的基极经第一电阻R1与电源连接，PNP型三极管Q1的集电极、储能电容C1的负极经第三电阻R3接地，该第三电阻R3对PNP型三极管Q1起到限流作用，避免电流过大对PNP型三极管Q1造成损坏，第一二极管D1的负极、储能电容C1的正极连接继电器Y1的线圈第一节点，PNP型三极管Q1的基极依次经第二电阻R2、稳压管D3连接开关控制电路，通过第一电阻R1、第二电阻R2的作用可以使PNP型三极管Q1导通，则PNP型三极管Q1与第一二极管D1、储能电容C1配合实现自举升压功能，从而提高继电器Y1的线圈第一节点上的瞬时电压，因此通过本升压电路可以对储能电容C1充电，为开通继电器Y1储备足够大的能量，实现高电压驱动继电器Y1开通，并且在继电器Y1开通后转由低电压维持继电器Y1的开通状态。所述储能电容C1为电解电容，容量大、额定耐压值高，可采用价格较低的铝电解电容，降低器件成本。

所述开关控制电路包括NPN型三极管Q2、用于限流的第四电阻R4，所述NPN型三极管Q2的集电极分别连接稳压管D3的负极、继电器Y1的线圈第二节点，所述稳压管D3的正极与第二电阻R2连接，NPN型三极管Q2的基极经第四电阻R4接收继电器Y1驱动信号，NPN型三极管Q2的发射极接地。该开关控制电路通过接收继电器Y1驱动信号，对继电器Y1的开通、关断进行控制，由于采用的是NPN型三极管Q2，因此当继电器驱动信号为低电平时，NPN型三极管Q2、PNP型三极管Q1均处于关断状态，升压电路中电源通过第一二极管D1对储能电容C1充电，使储能电容C1为开通继电器Y1储备足够大的电压，当继电器驱动信号为高电平时，NPN型三极管Q2、PNP型三极管Q1均为开通状态，此时继电器Y1的线圈第一节点上的瞬时电压上升，满足继电器Y1所需的高驱动电压，使继电器Y1快速开通，而且继电器Y1开通后，继电器Y1的线圈第一节点上的电压同步下降，转由低电压使继电器Y1保持开通状态。当继电器驱动信号由高电平转为低电平时，NPN型三极管Q2关断，继电器Y1也随之关断，由于继电器Y1线圈相当于大电感，关断时会感应反向电压，为防止继电器Y1线圈过高的反向电动势冲击NPN型三极管Q2，所述第一二极管D1采用肖特基二极管，开关速度快，当继电器Y1线圈断电时，可以很快建立续流通道。而且本控制电路在第二电阻R2与继电器Y1的线圈第二节点之间连接有稳压管D3，因此在继电器Y1关断时，该稳压管D3能阻断继电器Y1线圈的续流作用，从而加快继电器Y1的关断，达到快速关断继电器Y1的目的。

所述NPN型三极管Q2的集电极与发射极之间并联第二二极管D2，该第二二极管D2的正极与NPN型三极管Q2的发射极连接，第二二极管D2的负极与NPN型三极管Q2的集电极连接，避免NPN型三极管Q2反向导通，起到保护电路器件的作用。所述NPN型三极管Q2还可采用N型场效应管，该N型场效应管的栅极与继电器Y1驱动信号连接，N型场效应管的漏极连接继电器Y1的线圈第二节点，N型场效应管的源极接地。

所述NPN型三极管Q2的基极与地之间并联一RC滤波电路，该RC滤波电路由并联的第五电阻R5、第二电容C2构成，对继电器Y1驱动信号起到滤波作用，并且通过第五电阻R5与第四电阻R4对继电器Y1驱动信号进行分压，使NPN型三极管Q2的基极电压满足开通、关断的条件。

本实施例采用额定电压24V、开断电流为30A、线圈电阻为200Ω、释放电压为2.4V的继电器Y1为例，对本控制电路进行具体分析。并根据继电器Y1的各项参数，其它电路器件的设计如下。

选用24V的电源，设计继电器驱动信号的高电平为15V、低电平为0。

开关控制电路中，为避免继电器Y1线圈断电后的反向电动势冲击NPN型三极管Q2造成损坏，NPN型三极管Q2选用耐受电压高的型号TIP41C，即NPN型三极管Q2的各项参数为，I_CM=10A，V_CE=1.2V，V_BE=1.8V，V_CEO=V_CBO=100V。第二二极管D2采用普通二极管1N4148。并根据NPN型三极管Q2，选择阻值为2kΩ的第四电阻R4，第五电阻R5的阻值为50kΩ，第二电容C2选用耐压为63V、电容值为0.1uF的电容。

升压电路中，由于储能电容C1的电容值越大，继电器Y1开通时就能使高电压的维持时间越久，更容易促使继电器Y1开通，但是，如果继电器Y1频繁开断，则不能保证储能电容C1有足够的充电时间，难以保证继电器Y1后续的快速开通，而且电容值越大，储能电容C1的成本也越高，因此本实施例根据实际情况，选用电容值为47uF、耐压50V的电解电容。PNP型三极管Q1选用的型号为2N4920，即PNP型三极管Q1的各项参数为I_CM=3A，V_CE=0.6V，V_BE=1.3V，V_CEO=V_CBO =80V。第一二极管D1选用型号为MUR120的肖特基二极管，即第一二极管D1的各项参数为反向冲击电压最大值为200V，平均通流1A，正向压降V_FM=0.875V。用于限流的第三电阻R3的电阻值选择10kΩ。对于第一电阻R1、第二电阻R2的选择，如果两者的电阻值过大，则当继电器Y1线圈断电时产生的电流将不能快速地通过稳压管D3、第一电阻R1、第二电阻R2、第一二极管D1形成续流，此时继电器Y1虽然会迅速断开，但是继电器Y1线圈产生的反向电动势非常大会造成NPN型三极管Q2损坏，如果两者的电阻值过小，虽然会加快续流，但是会使得线圈的断开时间延长，而且此时电流较大同样会损坏NPN型三极管Q2，因此本实施例中第一电阻R1、第二电阻R2选用的电阻值为200Ω。稳压管D3选用的型号为BZX84C16，稳压电压为16V。

本实施例的控制电路具体工作流程如下：

初始上电时，当继电器驱动信号为低电平时，NPN型三极管Q2关断，继电器处于关断状态，PNP型三极管Q1由于基极电压约为24V，因此也处于关断状态，电源通过第一二极管D1对储能电容C1充电，使储能电容的电压从0上升至约24V-0.875V=23.125V，为开通继电器储备电压。

当继电器驱动信号由低电平转为高电平时，NPN型三极管Q2导通，继电器的线圈第二节点电压约为1.2V，则PNP型三极管Q1的基极电压约为24-(24-0.7-1.2)/2=13V，如图2中I2所示，此时PNP型三极管Q1导通，继电器的线圈第一节点的电压瞬间上升至24-1.3+23.125=45.8V，从而实现通过高电压驱动继电器开通，在继电器开通后，继电器的线圈第一节点的电压从45.8V下降至23.125 V，即通过低电压使继电器保持稳定的开通状态，如图2中I1所示。

当继电器驱动信号由高电平转为低电平时，NPN型三极管Q2关断，由于继电器线圈是大电感，会感应反向电动势，从而与稳压管D3、第一电阻R1、第二电阻R2、第一二极管D1形成续流，如图4中I3所示，由于稳压管D3的阻断电压为16V，只有当继电器线圈感应的反向电压大于阻断电压16V时才会进入续流状态，因此通过稳压管D3和第一电阻R1、第二电阻R2对继电器线圈的续流起到阻断作用，当继电器Y1的电压大于16V时，由于第一二极管D1采用的肖特基二极管，因此能快速形成续流，避免反向电压对NPN型三极管Q2造成冲击，当继电器线圈的电压下降到16V时即可实现关断，从而加快继电器Y1的关闭速度。

由上述分析可知，本控制电路通过升压电路和开关控制电路配合实现继电器的快速开通和关断，并且在通过高电压驱动继电器开通后，能使继电器在低电压下保持开通状态，降低继电器的线圈损耗和发热情况，还能防止继电器Y1关断时的反向电动势对NPN型三极管Q2造成冲击，对电路器件起到保护作用，此外，本控制电路只需通过单电源供电，能极大地简化电源电路。