现有的继电器或接触器在通电运行的过程中,其线圈要始终保持一定的维持电流,消耗一定的电能以维持其吸力,线圈发热并伴有噪音,有时甚至因线圈发热烧毁而不能工作,易于造成事故。 例如德国AEG公司所生产的LS4型低功耗直流接触器消耗功率仍为6.5W,BBC公司生产的B37型接触器功耗为12W,法国里昂(LYON)的LEM公司生产的IOR型磁保持式接触器,虽然在运行期间不消耗电能,但在外电路停电时不能退出吸合状态。
本发明提供了一种微功耗的直流继电器、接触器,在通电的瞬间吸合后,靠永磁体的磁力或机械力保持吸合状态,在运行中受一检测、控制电路的作用,一旦断电,在此控制电路的作用下可使之退出吸合状态,在运行中继电器(或接触器)的线圈不消耗电能,控制电路的功耗甚微,只相当于原继电器(或接触器)的几百分之一甚至千分之一,
由本人申请的专利(公开号GK91100774.1低功耗继电器、接触器)中控制电路使用的是PNP型三极管,本发明将使用地管子类别扩展为NPN型三极管、P沟道场效应管、N沟道场效应管,采用复合管(达林顿管)增大其输出功率,用双线圈铁芯的吸引、排斥作用加快接通和分断速度。
由本人申请的专利(专利号ZL87216224.9节能型接触器),用可控硅驱动接触器线圈,可控硅易于感受杂波干扰,使其工作状况不够稳定,本发明改用小型常规的继电器触点对接触器线圈加以控制,使其可靠性大为增加。
首先以磁保持式继电器控制电路为例说明其工作过程,如图(1)(虚框外部分):
在外控制触点接通的瞬间,从电源正端经二极管D1、电容器C2、继电器线圈J、二极管D2至电源负端形成通路,经过铁芯线圈的电流产生的电磁场极性和永磁体的极性相异,产生的吸力使二者相互吸引运动、带动继电器触点吸合,C2充电完成后线圈不再消耗电能,靠永磁的力量保持吸合,外控制触点断电时,由C2的正极通过R1、稳压管W、NPN型三极管的基极和继电器线圈J形成基极电流,经放大后形成集电极电流,C2的电量经过三极管、线圈J很快的放电,在J上产生的电磁力的方向和通电时相反,永磁体和铁芯相斥并带动触点释放。在通电吸合后,只有R1耗电,而R1阻值较大,所以耗电甚微,可以是普通电磁继电器的1/β(β为三极管放大倍数),R1为检测电阻,并和容量较小的C1组成RC延迟电路、吸收电源的杂波,压敏电阻RV起稳压作用,可吸收过高电压。其电源为直流稳压电源,交流电整流滤波作电源也可。
将上述电路的外控制触点改为虚框内的操作系统即可成为微功耗磁保持式接触器。
按动开关K1,C2充电过程中接触器吸合,由永磁力保持吸合,常开触点闭合给以维持电流。按动停止开关K2,C2通过三极管向线圈J放电,产生的斥力使接触器释放。
以上电路也可作为单线圈机械自锁继电器、接触器电路使用。
这时无论线圈是正向或反向通电,皆表现为对动铁芯的吸引,这种自锁方式为动铁每吸动一次,带动机械系统使继电器、接触器改变一次状态(原吸合状态即改变为释放态,原释放状态改变为吸合态),和常规的电视机、收录机电源开关相似(按动一次为接通,再按动一次为断开……),为节省篇幅,此种开关的动作、原理图不作画出。
将上述电路中的线圈J改置于发射极(或集电极)回路,可成为另一种机械自锁式接触器控制电路,如图(2)。
电源接通时,电流经R3向C2充电,如果接触器的初始状态为释放,按动开关K1,线圈J通电后吸合,并由机械保持吸合状态,在K1抬起后线圈不再耗电,按动停止按钮K2,电容器C2的储能通过三极管、二极管D2向线圈J放电,动铁芯吸动一次,使之退出吸合状态,外电路停电时,三极管导通一次,C2的电量向线圈放电一次、吸合状态时可使之释放。
适当选择C2的容量,使之在吸合状态时有足够的能量使之释放,而在释放状态时,动、静铁芯的距离较大,这时即使外电路停电却不能使之吸合(二者所需的能量与距离的平方成正比)。
在图(2)中R3为限流电阻,R2和C3串联后吸收线圈J两端的感应高压,RV为压敏电阻,可吸收过电压,D2的作用是防止J感应高压对管子的冲击、D3起续流作用。
按动K1,既可以开通,也可以停止,如果在K1的线路串入常闭触点,则K1为开钮,K2为停钮,和常规的操作习惯就相同了。
为了加大驱动铁芯的功率,可以用复合管(达林顿管)的形式增大输出功率,可以是NPN-NPN复合,或者用PNP-NPN复合,也可用PNP-PNP复合,图(3)是用PNP-NPN复合构成的控制电路。
如果接触器初始状态为释放态,按动开关K1,线圈J通电后吸合并机械自保,按动停止按钮K2,电容器C2通过T1基极、稳压管W、R1形成基极电流,T1的集电极电流通过T2的基极,并在T2形成较大的集电极电流流过D2和线圈J,使动铁芯吸动,从而接触器释放。其余元件、作用和图(2)相同,D2的作用是隔离线圈J感应高压对管子的冲击,如果需要耐压高也可以用硅堆代替。
如果用P沟道(或N沟道)增强型场效应管,也可以组成使接触器(继电器)在停电时将动铁芯吸合一次的电路如图(4)。
在正常运行时,R4两端(即栅极、源极)的电压相等,当外电路停电、或减压时,C2的电量通过R4、R1放电,在R4二端((即栅极、源极之间)形成分压,致使场效应管源极和漏极导通,流过D1、线圈J的电流使动铁芯吸引运动一次。
如配上开关K1、K2即可成为直流接触器,其各部作用和图(2)相类比。
用N沟道增强型场效应管也可以做成直流接触器如图(5)所示,其动作过程分析从略。
用拉簧(或压簧)的机械力使继电器或接触器稳定在接通或分断状态,其接通和分断过程速度较快如图(6)所示。
如果随动铁芯运动的连杆3运动到1的位置是分断态,由于弹簧5的拉力作用使其保持在稳定状态,当连杆3运动到2的位置时是接通状态,由于弹簧的拉力作用将稳定在接通状态,其中4为转轴,6为固定弹簧的支点。(用压簧的作用和拉簧相类似,论述从略)。其控制电路如图(7):
其中J1、J2分别为动、静铁芯线圈,其线圈的绕线方向相反,在通电的瞬间,静铁芯线圈J2产生的磁力吸合J1内的动铁芯,并由弹簧的拉力(或压力)作用保持吸合,失电时C2的电量通过三极管的集电极、D2、J1、J2放电,J1、J2串联电流产生的斥力使继电器分断。
在电路中使用NPN型三极管或用压簧的机械力皆可达到同样效果。
图(8)是用NPN三极管组成的接触器控制电路。
按动K1,静铁芯J1得电吸引J2内的动铁芯,并由弹簧拉力(或压力)稳定在接通状态,按动停止按钮K2,J1、J2的串联电流产生磁性相反的磁力使之分断,在弹簧的作用下稳定在分断状态。
由本人申请的专利“节能型接触器”(专利号ZL87216224.9)利用可控硅的电流驱动接触器线圈,可控硅易于感受杂波,影响其工作的可靠性,利用常规的继电器转换触点控制功率电容器的放电通路驱动接触器线圈可大大的改善工作的可靠性,控制电路如图(9):
接通电源后,经过电容C1、C2的分压并整流后向储能电容C4充电,在充电过程中,因为栅极电压高于源极,场效应管不导通,常规的继电器J1也无电流通过。同时交流电源通过二极管D1、电阻R2向功率电容C5充电,做好运行的准备,按动K1,交流电经接触器常闭触点、继电器常闭触点向接触器线圈C通电,交流电磁吸力使动铁芯吸合并且由机械自保持吸合。在运行状态时按动K2,线圈C通电后动铁芯被吸动一次,当K2抬起时线圈C断电,机械自锁解除,由弹簧力使动铁芯恢复至释放状态。当外电路停电时,继电器J1动作吸合,常闭触点脱离,常开触点闭合,C5的储能通过闭合了的常开触点向线圈C放电,产生的吸力使接触器释放。如果在释放状态时停电,C5虽然也放电,但因动、静铁芯距离较大,C5的能量难能使之吸合,所以仍为释放态。
大型接触器其线圈的阻值较小,致使小型继电器J1的触点通过较大电流,可以在线圈C的外围绕一段线径较细的线圈J2,绕向和C一致,其二端分别接于电容的正端和常闭触点间,可限制电流过大而烧坏继电器触点。
用图(6)所示的利用拉簧(或压簧)机械自锁的方式也可以用图(9)电路加以控制,这时C表示静铁芯线圈,J2表示为动铁芯线圈,C和J2的线圈绕向相同,按动K1,交流电通过C产生的吸力吸动J2内的动铁芯,并由弹簧机械自锁。开关K2常开端的一端接于J1常闭触点,另一端接于J1的转换触点,按动K2功率电容C5的电量经过J2、K2、C放电,动、静铁芯产生斥力使之分断。
在图(9)电路中,驱动继电器J1的电路还可用PNP型三极管或NPN型三极管或N沟道增强型场效应管,其电路和动作原理已如前述。
直动式机械自锁继电器或接触器,其铁芯无论是园柱形或山形可以在动、静铁芯内配置导向的轴和孔,以保其定向相对运动。因为在运行期间线圈不发热,只是在开停的瞬间耗电,设计线圈时可以让其通导较大电流,铁芯材料可以用硅钢片送合而成,也可以用整块的硅钢或软铁制成,以利于机械自锁滑道的制作和导向轴、孔的制作,导向的轴要用非磁性材料制作,以减小轴、孔之间的摩擦,如是交流电驱动,无论是整块或迭片铁芯都要配置有短路环以减少吸合过程中的振动和噪音,保持工作的稳定。
在图(1)所示的磁保持继电器(或接触器)控制电路中,如果在C2的充电过程中继电器(或接触器)刚刚完成接通的瞬间突然断电,C2的充电能量只是刚能够完成返回,损耗一点能量即不能返回,为了避免这种临界状况的发生,可以在A、C两端点依次接入电容C3,二极管D3,电阻R2,并且在电容C2和线圈J的交点与C3、D3的交点间接入二极管D4,如图(10)所示;
在电路接通的瞬间,通过C3、D3、R2给C3充电,以作储存电能的准备,在断电时,C3的储电将通过三极管、线圈J、二极管D4形成放电通路,增大了驱动线圈J的能量,即吸合时是用C2的能量,释放时是用C2和C3的能量总和,这样就有足够的能量可靠的返还回到初始状态。
图(11)为用PNP型三极管的控制电路,其原理同上,分析从略。
同理,在图(7)所示的用弹簧机械力自锁的双线圈控制电路中,在串联的C2、J2两端串接电容、二极管、电阻也可避免临界状况的发生,如图(12):
在通电的时候通过C3、D4、R2给C3充电,断电时,C3的储能通过三极管、D2、J1、J2、D5放电,增大了J1、J2的斥力,使之能更为可靠的分断。
用NPN型三极管组成的控制电路其原理同上,从略。