CN203674080U

CN203674080U - 继电器驱动电路

Info

Publication number: CN203674080U
Application number: CN201320478947.4U
Authority: CN
Inventors: 刘祥; 胡飞凰; 吴剑强; 华韬; 尹中明; 闵令宝; 鲁铁伟; 别海罡
Original assignee: Siemens Power Automation Ltd
Current assignee: Siemens Power Automation Ltd
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2023-08-07

Abstract

本实用新型提出了一种继电器驱动电路。该驱动电路包括：至少一个受控开关元件，其与所述线圈串联在电源和地之间，以导通或切断对所述线圈的供电；至少一个保护电路，其中一个保护电路用于一个受控开关元件，保护电路连接在受控开关元件的受控端和用于控制该受控开关元件的控制输入端之间，所述保护电路如果判断出施加在所述保护电路上的电压低于一个预定阈值，则断开其两端之间的电连接，否则导通其两端之间的电连接；其中，所述预定阈值设置成在所述控制输入端处于有效电平时，所述受控开关元件处于导通状态，在各控制输入端中任一处于故障电平时，所述至少一个受控开关元件处于切断状态。

Description

继电器驱动电路

技术领域

本实用新型涉及继电器，尤其涉及一种用于驱动继电器的驱动电路。

背景技术

继电器是具有隔离功能的自动开关元件，其广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。

例如，继电保护装置正是利用了继电器的隔离开关功能，从而能够在电力保护***中起到至关重要的作用。具体地，继电保护设备基于检测到的电流或电压特性、用户输入的参数等输入，确定当前供电线路是否出现故障。如果检测到故障，则继电保护装置使得继电器动作，以使得与该继电保护装置相关联的且连接在供电线路上的断路器脱扣，并由此断开供电连接，实现保护。在这种电力保护***中，如果继电保护装置出现误操作，则很可能引起对电力***的严重影响，其不仅可能给正常的***运行造成不便，甚至还可能导致更大的经济损失。继电保护装置的误操作可能由多种因素造成，其中之一便是由向该继电器发出动作指令的处理器的故障导致。

图1示例性地示出了一种常见的继电保护装置中继电器的驱动电路100。如图1所示，继电器REL_BO包括一个线圈COIL和执行机构（输出部分）。执行机构的一端为公共端（COM），另一端为常开端(NO:Normal Open)。在线圈COIL未通电时，COM和NO端保持断开，一旦线圈COIL通电则COM和NO彼此导通，以触发与之关联的断路器执行断开操作。线圈COIL与一个充当受控开关元件（例如，三极管Q102）串联在电源Vcc和地GND之间。三极管Q102导通与否可控制是否给线圈COIL供电。Q102的受控端（基极b）由一个处理器（未示出）的通用输入/输出（GPIO）端REL_P控制。电阻R103和R104形成一个对REL_P端电压的分压电路，以保持Q102的基极-射极间电压不会超过Q102的耐受范围。电容C102起到稳定REL_P电平的作用。电容C102、电阻R103和R104的设置属于本领域中三极管的常见设计方式。根据实际需要，本领域技术人员亦可使用类似的或常用的其它设计。

在图1所示的例子中，REL_P为来自处理器的控制端，也称控制输入端，其有效电平例如为高电平。在正常工作状态下，REL_P为无效的低电平（例如V_L=0），Q102的基极- 射极间电压低于Q102的开启电压V_be，从而Q102处于断开状态。在Q102断开时，线圈COIL不通电、COM端和NO端保持断开，进而与该继电器关联的断路器（未示出）不动作（例如，保持导通），供电线路正常工作。当处理器（未示出）发现供电线路上出现故障时，处理器的REL_P控制端切换成有效的高电平（例如V_H=3.3V），从而Q102导通、线圈COIL通电，REL_BO的执行机构的COM端和NO端相接触，进而促使关联的断路器执行切断动作，并导致线路供电中断。

在图1所示的例子中，如果处理器自身受损，其输出端REL_P的电压可能悬浮在一个故障值，例如该故障电压既不是有效的高电平（例如V_H=3.3V）也不是无效的低电平（例如V_L=0），而是一个介于其间的故障电平（例如，V_F=1.5V）。由于该故障电平可能高于Q102的开启电压，因而其很可能引起继电器REL_BO的驱动电路意外地被触发，即Q102导通，从而错误地导致相关的断路器动作。

实用新型内容

本实用新型旨在提出了一种用于继电器的驱动电路，其能够在来自处理器的控制端出现故障电压时避免继电器误操作。

根据本实用新型一个实施例，本实用新型提出的驱动电路用于驱动一个继电器。该继电器包括线圈，导通或切断对该线圈的供电可切换该继电器工作状态。所述驱动电路包括：至少一个受控开关元件，其与所述线圈串联在电源和地之间，以导通或切断对所述线圈的供电；至少一个保护电路，其中一个保护电路用于一个受控开关元件，保护电路的第一端连接到其相应的受控开关元件的受控端，其第二端连接到用于控制该受控开关元件的控制输入端，所述保护电路如果判断出施加在所述保护电路上的电压低于一个预定阈值，则断开其第一和第二端之间的电连接，否则导通其第一和第二端之间的电连接；其中，所述预定阈值设置成在所述各控制输入端处于有效电平时，所述受控开关元件均处于导通状态，在各控制输入端中任一处于故障电平时，所述至少一个受控开关元件中至少之一处于切断状态。

由于本实用新型提出的驱动电路中所包括的保护电路能够使得在控制输入端出现故障电平时使得受控开关元件处于断开状态，因而采用本实用新型提出的驱动电路能够防止因处理器的故障而导致的对继电器的误操作。

根据本实用新型另一个实施例，所述受控开关元件具有开启电压，所述预定阈值为介于第一极限值和第二极限值之间的一个值，所述第一极限值使得在所述控制输入端为故障电平时加载在所述受控开关元件的受控端的电压刚好低于其开启电压，所述第二极限值足以使得在所述控制输入端为有效电平时加载在所述受控开关元件的受控端的电压刚好大于其开启电压。例如，如果所述受控开关元件为NPN型三极管，所述第一极限值为最大故障电平值减去该NPN型三极管的基极-射极间开启电压；所述第二极限值为有效电平减去该NPN型三极管的基极-射极间开启电压。再比如，如果所述受控开关元件为PNP型三极管，所述第一极限值为电源电压减去最大故障电平值再减去该PNP型三极管的射极-基极间开启电压；所述第二极限值为电源电压减去有效电平再减去该PNP型三极管的射极-基极间开启电压。

由此，采用本实用新型提出的驱动电路，只要合理选择保护电路中的预定阈值即可实现防止继电器被误操作。

根据本实用新型又一个实施例，所述保护电路包括阈值判断部分和受控开关部分。所述受控开关部分连接成用于导通或断开所述保护电路的第一、第二端之间的电连接，且其受控端由所述阈值判断部分控制。所述阈值判断部分如果判断出施加在所述保护电路上的电压超过了所述预定阈值则导通所述受控开关部分，否则使得所述受控开关部分处于断开状态。可选地，保护电路可以包括至少一个齐纳二极管，所述预定阈值为所述齐纳二极管的反向击穿电压。或者，所述保护电路可以包括至少一个非齐纳二极管，所述预定阈值为所述保护电路中各非齐纳二极管的正向导通电压之和。

采用本实用新型提出的驱动电路，其用简单的齐纳二极管或非齐纳二极管即可实现对防止继电器误操作的目的，电路简单、成本低、易实现。

根据本实用新型再一个实施例，继电器的驱动电路包括两个上述受控开关元件，其与所述线圈串联在电源和地之间，以导通或切断对所述线圈的供电；两个上述保护电路，分别连接到所述两个授控开关元件。优选地，所述两个保护电路中任一包括齐纳二极管，且所述预定阈值为所述齐纳二极管的反向击穿电压。可选地，所述两个保护电路中任意一个包括串联的两个或两个以上的非齐纳二极管，所述预定阈值为所述保护电路中各非齐纳二极管的正向导通电压之和。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中，

图1示出现有的继电器驱动电路的示意图；

图2示例性地示出根据本实用新型一个实施例的继电器的驱动电路；

图3示例性地示出根据本实用新型另一个实施例的继电器的驱动电路；

图4示例性地示出根据本实用新型又一个实施例的继电器的驱动电路；

图5示例性地示出根据本实用新型再一个实施例的继电器的驱动电路。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。

图2示例性地示出了根据本实用新型一个实施例的继电器的驱动电路200。图2中，与图1相同的元件采用相同的附图标记，且简洁起见其具体描述请参见前文，这里不再赘述。

在图2中，与图1不同的是增加了一个保护电路210，用于在REL_P端出现故障电平时防止误操作继电器REL_BO。该保护电路210一端连接到REL_P，另一端耦合到三极管Q102的受控端，即基极b。该保护电路210在判断出施加在其上的电压低于一个预定阈值，断开其两端之间的电连接，否则导通其两端之间的电连接。这里，该预定阈值设置成在控制输入端REL_P处于有效电平时，确保Q102处于导通状态，而在控制输入端REL_P处于故障电平时，使得Q102保持切断状态。

图2中还示出了保护电路210的一个具体实施例。如图2所示，保护电路210具体包括一阈值判断部分211和一受控开关部分215。其中，所述受控开关部分215连接成用于导通或断开保护电路210的两端之间的电连接，且受控开关部分215的受控端由阈值判断部分211控制。阈值判断部分211如果判断出施加在保护电路210上的电压超过了一预定阈值则导通受控开关部分215，否则使得受控开关部分215处于断开状态。

图2中保护电路210的预定阈值的选择需要满足如下条件，即，在控制输入端REL_P处于有效电平时，确保Q102处于导通状态，而在控制输入端REL_P处于故障电平时，使得Q102保持切断状态。举例而言，在图2中，保护电路210的预定阈值Vth需同时满足如下两个条件：

1.Vth<V_H-V_be,以确保在控制输入端REL_P为有效电平V_H时保护电路210导通，并且保护电路210导通后加载在Q102的基极b的电压大于Q102的开启电压V_be（例如V_be=0.3V），从而使得Q102导通。如果V_H=3.3V，则Vth需要小于V_H-V_be=3V。

2.Vth>V_F-V_be,以确保在控制输入端REL_P为故障电平V_F时保护电路210断开，或者即使保护电路210得以导通，其加载在Q102的基极b的电压也小于Q102的开启电压V_be（例如V_be=0.3V），从而使得Q102断开。如果V_F=1.5V，则Vth需要大于V_F-V_be=1.5V-0.3V=1.2V。

换言之，Vth需满足V_F-V_be<Vth<V_H-V_be,即，1.2V<Vth<3V，例如，优选Vth=2V、2.2V或2.5V。

如此设置保护电路210的预定阈值之后，如果处理器因故障而在REL_P输出无效电平或故障电平，保护电路均能够断开其电连接，并进而使得Q102保持断开，从而避免了现有驱动电路中可能出现的损害。

图3示例性地示出了根据本实用新型的另一个实施例的继电器的驱动电路300。图3中，与图1或2相同的元件采用相同的附图标记，且简洁起见其具体描述请参见前文，这里不再赘述。

在图3中，与图2不同的是保护电路实际包括一个齐纳二极管D310。这里齐纳二极管D310阳极耦合到三极管Q102的基极，阴极连接到控制输入端REL_P。D310的反向击穿电压选择成使之与上述预定阈值一致，例如，D310的反向击穿电压V_reverse-D310也同样满足(V_F-V_be）<V_reverse-D310<(V_H-V_be)，例如优选V_reverse-D310=2.5V。当REL_P为有效电平V_H=3.3V时，D310两端压降（=V_H-V_be=3.3V-0.3V=3V）大于其反向击穿电压V_reverse-D310=2.5V，则齐纳二极管导通，进而导致Q102导通。由此线圈COIL因得电而促使执行机构进行脱扣动作。相反，在REL_P为故障电平V_F=1.5V时，D310两端压降（=V_F-V_be=1.5V-0.3V=1.2V）小于其反向击穿电压V_reverse-D310=2.5V，则齐纳二极管断开，进而Q102保持断开状态，线圈COIL不同电，继电器不动作。

图4示例性地示出了根据本实用新型的又一个实施例的继电器的驱动电路400。图4中，与图1或3相同的元件采用相同的附图标记，且简洁起见其具体描述请参见前文，这里不再赘述。

在图4中，驱动电路400除了包含与图3类似的由控制输入端REL_P(高电平有效)控制的正驱动电路部分（包括三极管Q102）之外，还包括由控制输入端REL_N(低电平有效)控制的负驱动电路部分（包括三极管Q101）。三极管Q101和Q102与线圈COIL串联，从而只有两个受控开关元件Q101、Q102均导通时，线圈COIL才会通电。正驱动电路部分与图3基本相同，其保护电路为齐纳二极管D410-P，作用与D310相同，这里不再赘述。

图4中的负驱动电路部分与正驱动电路部分类似，不同在于Q101为一个PNP型三极管，其基极耦合到控制输入端REL_N，其射极耦合到电源Vcc。用于Q101的保护电路为一个齐纳二极管D410-N。齐纳二极管D410-N的阳极连接到控制输入端REL_N，阴极耦合到三极管Q101的基极。D410-N的反向击穿电压V_{reverse-D410-N}选择成使之与之前所述预定阈值一致。在图4的例子中，如果控制输入端REL_P（高电平有效）和REL_N（低电平有效）均为有效电平时，Q101和Q102均导通。然而，在故障时，只要Q101和Q102中任意一个保持断开即可实现不对COIL通电。因而，在图4所示的例子中，两个齐纳二极管的反向击穿电压可按照如下条件选择，即，

(C1&C2)&(C3%C4),“&”表示与逻辑，“%”表示或逻辑，

其中，C1：D410-N的反向击穿电压V_{reverse-D410-N}<(V_CC–V_eb-Q101）

C2：D410-P的反向击穿电压V_{reverse-D410-P}<(V_H–V_be-Q102）

C3：D410-N反向击穿电压V_{reverse-D410-N}>(V_cc–V_eb-Q101–V_F）

C4：D410-P的反向击穿电压V_{reverse-D410-P}>(V_F–V_be-Q102）

假定在图4所示的例子中，Vcc=5V，V_F=1.5V，V_eb=V_be=0.3V，则可以得到：

(3.2V<V_{reverse-D410-N}<4.7V)&(V_{reverse-D410-P}<3V);或者

(1.2V<V_{reverse-D410-P}<3V)&(V_{reverse-D410-N}<4.7V)。

更为优选地，D410-N和D410-P的反向击穿电压满足：

(3.5V<V_{reverse-D410-N}<4.7V)&(1.2V<V_{reverse-D410-P}<3V)，例如V_{reverse-D410-N}=3.6V，V_{reverse-D410-P}=2.5V。

图5示例性地示出了根据本实用新型的再一个实施例的继电器的驱动电路500。图5中，与图4相同的元件采用相同的附图标记，且简洁起见其具体描述请参见前文，这里不再赘述。图5中的驱动电路500与图4类似，不同之处在于正驱动电路部分（包括Q102）的保护电路D510-P由多个串联的普通二极管（D513和D514）来替代图4中的齐纳二极管，负驱动电路部分（包括Q101）中的保护电路依然为一个齐纳二极管D510-N。这里的所谓普通二极管不具有齐纳二极管的特性，即，普通二极管不能在反向击穿后处于导通状态，因而其仅具有正向导通电压V_onD。

由此，在图5所示的例子中，齐纳二极管D510-N的反向击穿电压V_{reverse-D510-N}以及D510-P中普通二极管的个数N可按照如下条件选择，即，(D1&D2)&(D3%D4),“&”表示与逻辑，“%”表示或逻辑，

其中，D1：D510-N的反向击穿电压V_{reverse-D510-N}<(V_CC–V_eb-Q101）

D2：普通二极管数目N满足，N*V_onD<(V_H–V_be-Q102）

D3：D510-N的反向击穿电压V_{reverse-D510-N}>(V_cc–V_eb-Q101–V_F）

D4：普通二极管数目N满足N*V_onD>(V_F–V_be-Q102）

V_onD为普通二极管的正向开启电压。

假定在图5所示的例子中，Vcc=5V，V_F=1.5V，V_eb=V_be=0.3V，V_onD=0.7V,则可以得到：

(3.2V<V_{reverse-D510-N}<4.7V)&(0<N<4);或者

(1<N<4)&(V_{reverse-D510-N}<4.7V)。

更为优选地，D510-N的反向击穿电压满足(3.5V<V_{reverse-D510-N}<4.7V)&(1<N<4)，例如 V_{reverse-D510-N}=3.6V，N=2。

应该理解，图5中的D510-P也可相应地用在负驱动电路部分，即D510-N也可以用若干串联的普通二极管所取代。此外，图4和图5中的负驱动电路部分（包括Q101）也可单独用作继电器REL_BO的驱动电路，类似图3所示的驱动电路。以上驱动电路中用作受控开关元件的三极管也可以被其他开关元件所替代，例如场效应管等。

另外，以上虽然以常开继电器REL_BO为例来描述本实用新型的技术方案，本领域技术人员可以理解的是，上述提及的继电器驱动电路也可以用在常闭方式的继电器中。而且，本实用新型提出的驱动电路不仅可以应用在继电保护设备中，还可以应用在其他用处理器来控制继电器动作的场合，例如电力监控设备，或者其他具有继电器输出的装置中。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims

1.一种用于继电器的驱动电路，其中所述继电器（REL_BO）包括线圈（COIL），导通或切断对该线圈的供电可切换该继电器工作状态，其特征在于，所述驱动电路包括：

至少一个受控开关元件（Q102、Q101），其与所述线圈（COIL）串联在电源（Vcc）和地（GND）之间，以导通或切断对所述线圈（COIL）的供电；

至少一个保护电路（210、D310、D410-N、D410-P、D510-N、D510-P），一个保护电路用于一个受控开关元件，每个保护电路的第一端连接到其相应的受控开关元件（Q102、Q101）的受控端（b），其第二端连接到用于控制该受控开关元件的控制输入端（REL_P、REL_N），当施加在所述保护电路上的电压低于一个预定阈值时，所述保护电路断开其第一和第二端之间的电连接，否则导通其第一和第二端之间的电连接；

其中，所述预定阈值设置成在所述各控制输入端（REL_P、REL_N）处于有效电平时，所述受控开关元件（Q101、Q102）均处于导通状态，在各控制输入端（REL_P、REL_N）中任一处于故障电平时，所述至少一个受控开关元件（Q101、Q102）中至少之一处于切断状态。

2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述受控开关元件（Q101、Q102）具有开启电压，所述预定阈值为介于第一极限值和第二极限值之间的一个值，所述第一极限值使得在所述控制输入端（REL_P、REL_N）为故障电平时加载在所述受控开关元件的受控端的电压刚好低于其开启电压，所述第二极限值足以使得在所述控制输入端为有效电平时加载在所述受控开关元件的受控端的电压刚好大于其开启电压。

3.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述受控开关元件为NPN型三极管（D310、D410-P），所述第一极限值为最大故障电平值（V_F）减去该NPN型三极管的基极-射极间开启电压（V_be）；所述第二极限值为有效电平（V_H）减去该NPN型三极管的基极-射极间开启电压（V_be）。

4.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述受控开关元件为PNP型三极管（D410-N），所述第一极限值为电源电压（Vcc）减去最大故障电平值（V_F）再减去该PNP型三极管的射极-基极间开启电压（V_eb）；所述第二极限值为电源电压（Vcc）减去有效电平（V_L）再减去该PNP型三极管的射极-基极间开启电压（V_eb）。

5.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述保护电路（210）包括阈值判断部分（211）和受控开关部分（215），

所述受控开关部分（215）连接成用于导通或断开所述保护电路的第一、第二端之间的电连接，且其受控端由所述阈值判断部分（211）控制；

所述阈值判断部分（211）如果判断出施加在所述保护电路上的电压超过了所述预定阈值则导通所述受控开关部分，否则使得所述受控开关部分（215）处于断开状态。

6.根据权利要求1-5中任一所述的驱动电路，其特征在于，所述保护电路包括至少一个齐纳二极管（D310、D410-N、D410-P、D510-N），所述预定阈值为所述齐纳二极管的反向击穿电压。

7.根据权利要求1-5中任一所述的驱动电路，其特征在于，所述保护电路（D510-P）包括至少一个非齐纳二极管（D513、D514），所述预定阈值为所述保护电路中各非齐纳二极管的正向导通电压之和。

8.根据权利要求1-5中任一所述的驱动电路，其特征在于，包括：

两个所述受控开关元件（Q102、Q101），其与所述线圈（COIL）串联在电源（Vcc）和地（GND）之间，以导通或切断对所述线圈（COIL）的供电；

两个所述保护电路（D410-N、D410-P、D510-N、D510-P），分别连接到所述两个授控开关元件。

9.根据权利要求8所述的驱动电路，其特征在于，

所述两个保护电路中任一包括齐纳二极管，且所述预定阈值为所述齐纳二极管的反向击穿电压。

10.根据权利要求8中所述的驱动电路，其特征在于，所述两个保护电路（D510-P）中任意一个包括串联的两个或两个以上的非齐纳二极管（D513、D514），所述预定阈值为所述保护电路中各非齐纳二极管的正向导通电压之和。