一种硬件实现继电器过零保护控制的电路的制作方法

本发明涉及过零保护，尤其涉及一种硬件实现继电器过零保护控制的电路。

背景技术：

1、随着电气设备自动化程度的不断提高，以及人们对继电器控制安全性、稳定性和使用寿命要求的不断提升，对继电器动作时刻的控制也提出了更高的要求，继电器作为电气控制系统中实现电路通断、信号切换以及负载控制的重要器件，广泛应用于工业控制、家用电器、供配电设备以及自动化控制系统等领域，在交流负载的控制过程中，继电器通常通过线圈的得电或失电带动触点吸合或释放，从而实现交流网络的接通或断开，由于交流电压和交流电流会随时间周期性变化，因此需要开发一种硬件实现继电器过零保护控制的电路。

2、但是现有技术中，继电器的通断大多由外部控制信号直接驱动，或者采用软件检测交流过零点后通过延时方式控制继电器动作，由于软件程序存在采样延迟和执行偏差，不同继电器还存在动作时间差异、器件老化以及工作环境变化等情况，在实际使用过程中，容易导致继电器难以准确在交流电压过零附近吸合或释放，进而造成触点动作瞬间产生较大的电弧和电流冲击，加快触点烧蚀和老化。

技术实现思路

1、为了弥补以上不足，本发明提供了一种硬件实现继电器过零保护控制的电路，旨在改善现有技术中，继电器的通断大多由外部控制信号直接驱动的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种硬件实现继电器过零保护控制的电路，包括限流电阻rd、整流桥u3、光耦u1、d触发器u2、交流继电器rl以及三极管；

3、所述限流电阻rd的一端与交流网络的l端电性连接，所述限流电阻rd的另一端与整流桥u3的一个交流输入端电性连接，所述整流桥u3的另一个交流输入端与交流网络的n端电性连接；

4、所述整流桥u3的正极输出端与光耦u1的输入侧第一端电性连接，所述整流桥u3的负极输出端与光耦u1的输入侧第二端电性连接；所述光耦u1的输出侧第一端与第一上拉电阻的一端以及d触发器u2的时钟端clk电性连接，并形成zero节点，所述第一上拉电阻的另一端与电源端电性连接，所述光耦u1的输出侧第二端接地；

5、所述d触发器u2的数据输入端d与ctr节点电性连接，所述d触发器u2的输出端q与out节点电性连接，所述out节点通过基极电阻与三极管的基极电性连接，所述三极管的发射极接地，所述三极管的集电极与交流继电器rl的线圈第一端电性连接，所述交流继电器rl的线圈第二端与电源端电性连接；

6、所述交流继电器rl的触点端接入所述交流网络中，用于控制所述交流网络的通断。

7、通过上述技术方案：通过限流电阻rd、整流桥u3、光耦u1、d触发器u2、三极管和交流继电器rl之间的相互配合，可以使交流网络输入的交流电经限流和整流后形成用于过零检测的脉动直流信号，并通过光耦u1将交流强电侧的过零状态转换为弱电侧的zero节点逻辑信号；通过d触发器u2对ctr节点的外部控制信号进行过零时刻采样和锁存，可以使交流继电器rl的吸合或释放动作被限制在交流电压接近零点的时段执行，从而降低继电器触点通断瞬间产生电弧和电流冲击的可能性，提高继电器控制的安全性、稳定性和使用寿命。

8、作为上述技术方案的进一步描述：

9、所述整流桥u3的两个交流输入端分别接入交流网络的l端和n端，所述整流桥u3将所述交流网络输入的交流电转换为脉动直流电后输出至光耦u1的输入侧。

10、通过上述技术方案：通过整流桥u3可以对交流网络输入的交流电进行整流处理，使交流电的正半周和负半周均能够转换为同一方向变化的脉动直流电，并将该脉动直流电输出至光耦u1的输入侧，为光耦u1识别交流电压是否接近零点提供检测基础；同时配合限流电阻rd，可以限制进入整流桥u3和光耦u1输入侧的电流大小，降低交流电压直接作用于光耦u1而造成器件损坏的可能性。

11、作为上述技术方案的进一步描述：

12、所述光耦u1包括输入侧发光二极管和输出侧光敏三极管，所述输入侧发光二极管的两端分别与整流桥u3的正极输出端和负极输出端电性连接，所述输出侧光敏三极管的集电极与zero节点电性连接，所述输出侧光敏三极管的发射极接地。

13、通过上述技术方案：通过光耦u1的输入侧发光二极管接收整流桥u3输出的脉动直流电流，可以根据交流网络电压的变化状态控制光耦u1输出侧光敏三极管导通或截止；当交流网络电压远离零点时，光耦u1输入侧发光二极管导通并驱动输出侧光敏三极管导通，当交流网络电压接近零点时，光耦u1输入侧发光二极管截止或发光强度降低，使输出侧光敏三极管截止，从而实现交流过零状态的硬件检测；同时通过光耦u1的电气隔离作用，可以将交流强电侧与弱电逻辑控制侧隔离，提高电路的安全性和抗干扰能力。

14、作为上述技术方案的进一步描述：

15、所述zero节点通过第一上拉电阻与电源端电性连接，在所述光耦u1的输出侧光敏三极管导通时，所述zero节点被拉低；在所述光耦u1的输出侧光敏三极管截止时，所述zero节点经所述第一上拉电阻被上拉为高电平。

16、通过上述技术方案：通过第一上拉电阻可以为zero节点提供稳定的上拉电平，当光耦u1输出侧光敏三极管导通时，zero节点经光敏三极管被拉向地端并形成低电平状态；当交流网络电压接近零点导致光耦u1输出侧光敏三极管截止时，zero节点不再被下拉，并通过第一上拉电阻被上拉为高电平，从而在交流电压过零附近形成有效的过零触发信号；通过该zero节点的电平变化，可以为d触发器u2提供时钟触发信号，使后级控制动作能够在交流电压接近零点时进行更新。

17、作为上述技术方案的进一步描述：

18、所述d触发器u2的时钟端clk与zero节点电性连接，所述d触发器u2的数据输入端d与ctr节点电性连接，所述d触发器u2的接地端gnd接地，所述d触发器u2的电源端vcc与电源端电性连接。

19、通过上述技术方案：通过ctr节点可以接收外部控制信号，通过zero节点可以向d触发器u2的时钟端clk提供过零触发信号，使d触发器u2并非在ctr节点电平变化时立即改变输出，而是在交流网络电压接近零点并产生有效时钟触发信号时，对ctr节点的控制电平进行采样和锁存；当ctr节点为高电平且zero节点产生有效过零触发信号时，d触发器u2的输出端q输出高电平，当ctr节点为低电平且zero节点产生有效过零触发信号时，d触发器u2的输出端q输出低电平，从而使继电器的吸合或释放动作受过零触发时刻限制，降低继电器在高电压或高电流瞬间动作的可能性。

20、作为上述技术方案的进一步描述：

21、所述d触发器u2的预置端pre#通过第二上拉电阻与电源端电性连接，所述d触发器u2的清零端clr#通过第三上拉电阻与电源端电性连接，使所述d触发器u2的预置端pre#和清零端clr#保持为无效电平状态。

22、通过上述技术方案：通过第二上拉电阻和第三上拉电阻可以分别将d触发器u2的预置端pre#和清零端clr#保持在高电平状态，由于预置端pre#和清零端clr#为低电平有效端，因此在正常工作过程中能够保持为无效状态，避免预置端或清零端悬空而导致d触发器u2产生误置位或误复位；通过对预置端pre#和清零端clr#进行上拉固定，可以提高d触发器u2输出状态的稳定性，使out节点的输出主要由ctr节点和zero节点共同决定，从而保证过零采样和锁存控制过程的可靠性。

23、作为上述技术方案的进一步描述：

24、所述out节点与基极电阻的一端电性连接，所述基极电阻的另一端与三极管的基极电性连接，所述三极管的集电极与交流继电器rl的线圈第一端电性连接，所述三极管的发射极接地，以使所述d触发器u2的输出端q经out节点控制所述交流继电器rl的线圈得电或失电。

25、通过上述技术方案：通过out节点可以接收d触发器u2输出端q的锁存控制电平，并通过基极电阻将该控制电平传输至三极管的基极，基极电阻能够限制三极管的基极电流，降低驱动电流过大对三极管造成的不利影响；当out节点为高电平时，三极管导通，使交流继电器rl的线圈第一端经三极管接地，交流继电器rl线圈形成供电回路并得电吸合；当out节点为低电平时，三极管截止，交流继电器rl线圈供电回路断开并失电释放；通过三极管对继电器线圈进行驱动，可以使d触发器u2的弱电逻辑输出稳定控制交流继电器rl的机械动作。

26、作为上述技术方案的进一步描述：

27、所述交流继电器rl包括线圈端和触点端，所述线圈端包括线圈第一端和线圈第二端，所述线圈第一端与三极管的集电极电性连接，所述线圈第二端与电源端电性连接；所述触点端包括第一触点端和第二触点端，所述第一触点端与交流网络的l端电性连接，所述第二触点端作为受控交流输出端。

28、通过上述技术方案：通过交流继电器rl的线圈端可以接收三极管输出的驱动控制，通过交流继电器rl的触点端可以接入交流网络的功率通路；当交流继电器rl线圈得电时，交流继电器rl的触点端吸合，使交流网络的l端与受控交流输出端导通，外部负载获得交流供电；当交流继电器rl线圈失电时，交流继电器rl的触点端断开，使交流网络的l端与受控交流输出端之间断开，外部负载停止供电；由于交流继电器rl线圈的得电或失电由d触发器u2在zero节点产生过零触发信号时锁存输出，因此可以使交流继电器rl触点的通断动作发生在交流网络电压接近零点的时段，从而降低继电器触点吸合或释放瞬间产生电弧冲击的可能性，延长继电器的使用寿命。

29、本发明具有如下有益效果：

30、1、本发明中，通过设置限流电阻rd、整流桥u3、光耦u1以及第一上拉电阻，使交流网络的l端和n端输入的交流电能够经限流、整流后转换为随交流相位变化的脉动直流信号，并在交流电压接近零点时通过光耦u1和zero节点形成有效的过零检测信号，实现了交流过零点的纯硬件检测，利用光耦u1的电气隔离特性，将交流强电侧与弱电逻辑控制侧进行隔离，提升了过零检测的抗干扰能力和响应及时性。

31、2、本发明中，通过设置d触发器u2、ctr节点、zero节点、out节点、基极电阻、三极管以及交流继电器rl，使外部控制信号并非直接控制继电器动作，而是在zero节点产生过零触发信号时，由d触发器u2对ctr节点的控制电平进行采样、锁存并输出至继电器驱动电路，从而使交流继电器rl的吸合或释放动作被限定在交流网络电压接近零点的时段执行，避免了传统软件延时控制因器件差异、老化及执行延迟而导致继电器难以准确在过零点动作的问题。