实现继电器过零开关控制功能的方法及其电路结构与流程

1.本发明涉及智能家居设备领域，尤其涉及智能照明领域，具体是指一种实现继电器过零开关控制功能的方法及其电路结构。


背景技术：

2.现有继电器多是随意开启和关闭，或预置某种固定时间机制开关，或依赖于某种相位检测及通讯机制。
3.随意开关可能会出现浪涌电流过大及继电器触点寿命降低等问题，固定时间机制的开关难以解决不同继电器之间的开关反应时间等差异带来的问题。相位检测及通讯带来成本及复杂的挑战。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足灵敏性高、结构简单、适用范围较为广泛的实现继电器过零开关控制功能的方法及其电路结构。
5.为了实现上述目的，本发明的实现继电器过零开关控制功能的方法及其电路结构如下：该实现继电器过零开关控制功能的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：（1）微处理器从输入电压信号获取电压周期的信息以及过零时间基准始点t_start；（2）微处理器从输出电压信号中获取继电器的打开反应时间t_act_on或继电器的关闭反应时间t_act_off；（3）在电磁继电器近零电压触点导通或关闭的情况下，该微处理器从过零时间基准始点t_start开始，经过导通延迟时间t_delay_on发出开信号或关闭延迟时间t_delay_off发出关信号。
6.较佳地，所述的步骤（1）具体包括以下步骤：（1.1）根据电势提供输入电压信号isig，判断输入电压火线电压是否大于零线上电压，如果是，则输入电压信号isig为低电平；否则，输入电压信号isig为高电平；（1.2）根据输入电压信号isig的上升沿或下降沿得到过零时间基准始点t_start。
7.较佳地，所述的步骤（2）中获取继电器的打开反应时间t_act_on，具体包括以下步骤：（1-2.1）微处理器发出打开信号，开始计时；（1-2.2）在电磁继电器内部触点由断开转为闭合的情况下，火线输出与火线输入导通；（1-2.3）在输出电压信号osig出现首个下降沿时结束计时，得到计时时间，该计时时间即为继电器的打开反应时间t_act_on。
8.较佳地，所述的步骤（2）中获取继电器的关闭反应时间t_act_off，具体包括以下步骤：（2-2.1）微处理器发出关闭信号，开始计时；（2-2.2）在电磁继电器内部触点由闭合转为断开的情况下，火线输出与火线输入断开；（2-2.3）在输出电压信号osig出现高电平时间超时的时候结束计时，得到计时时间，将计时时间减去超时时间，得到继电器的关闭反应时间t_act_off。
9.较佳地，所述的步骤（3）中的导通延迟时间t_delay_on，具体为：根据以下公式得到导通延迟时间t_delay_on：导通延迟时间t_delay_on＋继电器的打开反应时间t_act_on＝输入电压信号电压周期整数倍。
10.较佳地，所述的步骤（3）中的关闭延迟时间t_delay_off，具体为：根据以下公式得到关闭延迟时间t_delay_off：关闭延迟时间t_delay_off＋继电器的关闭反应时间t_act_off＝输入电压信号电压周期整数倍。
11.该用于实现上述方法的实现继电器过零开关控制功能的电路结构，其主要特点是，电路结构包括微处理器，还包括：输入电压检测电路模块，与所述的微处理器相连接，为微处理器提供输入电压信号isig；电磁继电器驱动模块，与所述的微处理器和输入电压检测电路模块相连接，微处理器为电磁继电器驱动模块提供开关信号switch，且该电磁继电器驱动模块与输入电压检测电路模块的输入火线lin相连接；输出电压检测电路模块，与所述的微处理器和电磁继电器驱动模块相连接，为微处理器提供输出电压信号osig，且所述的电磁继电器驱动模块与该输出电压检测电路模块的输出火线lout相连接；所述的微处理器进行以下控制处理：所述的微处理器从输入电压信号获取电压周期的信息以及过零时间基准始点t_start，从输出电压信号中获取继电器的打开反应时间t_act_on或继电器的关闭反应时间t_act_off；在电磁继电器近零电压触点导通的情况下，该微处理器从所述的过零时间基准始点t_start开始，经过导通延迟时间t_delay_on发出开信号；在电磁继电器近零电压触点关闭的情况下，该微处理器从所述的过零时间基准始点开始，经过关闭延迟时间t_delay_off发出关信号。
12.较佳地，所述的输入电压信号电压周期为输入电压信号isig的高低电平变化，其中，在输入电压火线电压大于零线上电压时，输入电压信号isig为低电平，当输入电压火线电压小于等于零线上电压时，输入电压信号isig为高电平。
13.较佳地，所述的过零时间基准始点t_start为输入电压信号isig的上升沿或下降沿。
14.较佳地，所述的微处理器发出打开信号，开始计时，电磁继电器内部触点由断开转为闭合时，火线输出与火线输入导通，在输出电压信号osig出现首个下降沿时计时结束，计
时时间即为继电器的打开反应时间t_act_on。
15.较佳地，所述的微处理器发出关闭信号，开始计时，电磁继电器内部触点由闭合转为断开时，火线输出与火线输入断开，在输出电压信号osig出现高电平时间超时的时候计时结束，计时时间减去超时时间即为继电器的关闭反应时间t_act_off。
16.较佳地，所述的导通延迟时间t_delay_on满足以下条件：导通延迟时间t_delay_on＋继电器的打开反应时间t_act_on＝输入电压信号电压周期整数倍。
17.较佳地，所述的关闭延迟时间t_delay_off满足以下条件：关闭延迟时间t_delay_off＋继电器的关闭反应时间t_act_off＝输入电压信号电压周期整数倍。
18.采用了本发明的实现继电器过零开关控制功能的方法及其电路结构，实现电磁继电器近零电压触点导通及关闭，可根据不同电磁继电器开关反应速度及电源ac周期或频率自动调节。对使用过程中的温度，使用时长等可能导致开关特性变动的因素能够自适应调整。故有利于延长继电器使用寿命，及减小开关时负载浪涌电流冲击。
附图说明
19.图1为本发明的实现继电器过零开关控制功能的电路结构适用于半波供电的示意图。
20.图2为本发明的实现继电器过零开关控制功能的方法及其电路结构的示意图。
21.图3为本发明的实现继电器过零开关控制功能的实施例的显示双路电磁继电器的电路示意图。
22.图4为本发明的实现继电器过零开关控制功能的实施例的继电器反应时间差异在半个ac周期内的情况的电路示意图。
23.图5为本发明的实现继电器过零开关控制功能的实施例的继电器反应时间差异在半个ac周期内的情况的整流桥后全波供电的电路方案示意图。
24.图6为本发明的实现继电器过零开关控制功能的实施例的输入电压在n线上检测电路示意图。
具体实施方式
25.为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
26.本发明的该实现继电器过零开关控制功能的方法，其中包括以下步骤：（1）微处理器从输入电压信号获取电压周期的信息以及过零时间基准始点t_start；（1.1）根据电势提供输入电压信号isig，判断输入电压火线电压是否大于零线上电压，如果是，则输入电压信号isig为低电平；否则，输入电压信号isig为高电平；（1.2）根据输入电压信号isig的上升沿或下降沿得到过零时间基准始点t_start；（2）微处理器从输出电压信号中获取继电器的打开反应时间t_act_on或继电器的关闭反应时间t_act_off；
（3）在电磁继电器近零电压触点导通或关闭的情况下，该微处理器从过零时间基准始点t_start开始，经过导通延迟时间t_delay_on发出开信号或关闭延迟时间t_delay_off发出关信号。
27.作为本发明的优选实施方式，所述的步骤（2）中获取继电器的打开反应时间t_act_on，具体包括以下步骤：（1-2.1）微处理器发出打开信号，开始计时；（1-2.2）在电磁继电器内部触点由断开转为闭合的情况下，火线输出与火线输入导通；（1-2.3）在输出电压信号osig出现首个下降沿时结束计时，得到计时时间，该计时时间即为继电器的打开反应时间t_act_on。
28.作为本发明的优选实施方式，所述的步骤（2）中获取继电器的关闭反应时间t_act_off，具体包括以下步骤：（2-2.1）微处理器发出关闭信号，开始计时；（2-2.2）在电磁继电器内部触点由闭合转为断开的情况下，火线输出与火线输入断开；（2-2.3）在输出电压信号osig出现高电平时间超时的时候结束计时，得到计时时间，将计时时间减去超时时间，得到继电器的关闭反应时间t_act_off。
29.作为本发明的优选实施方式，所述的步骤（3）中的导通延迟时间t_delay_on，具体为：根据以下公式得到导通延迟时间t_delay_on：导通延迟时间t_delay_on＋继电器的打开反应时间t_act_on＝输入电压信号电压周期整数倍。
30.作为本发明的优选实施方式，所述的步骤（3）中的关闭延迟时间t_delay_off，具体为：根据以下公式得到关闭延迟时间t_delay_off：关闭延迟时间t_delay_off＋继电器的关闭反应时间t_act_off＝输入电压信号电压周期整数倍。
31.本发明的该用于实现上述方法的实现继电器过零开关控制功能的电路结构，其中该电路结构包括微处理器，还包括：输入电压检测电路模块，与所述的微处理器相连接，为微处理器提供输入电压信号isig；电磁继电器驱动模块，与所述的微处理器和输入电压检测电路模块相连接，微处理器为电磁继电器驱动模块提供开关信号switch，且该电磁继电器驱动模块与输入电压检测电路模块的输入火线lin相连接；输出电压检测电路模块，与所述的微处理器和电磁继电器驱动模块相连接，为微处理器提供输出电压信号osig，且所述的电磁继电器驱动模块与该输出电压检测电路模块的输出火线lout相连接；所述的微处理器进行以下控制处理：所述的微处理器从输入电压信号获取电压周期的信息以及过零时间基准始点t_
start，从输出电压信号中获取继电器的打开反应时间t_act_on或继电器的关闭反应时间t_act_off；在电磁继电器近零电压触点导通的情况下，该微处理器从所述的过零时间基准始点t_start开始，经过导通延迟时间t_delay_on发出开信号；在电磁继电器近零电压触点关闭的情况下，该微处理器从所述的过零时间基准始点开始，经过关闭延迟时间t_delay_off发出关信号。
32.作为本发明的优选实施方式，所述的输入电压信号电压周期为输入电压信号isig的高低电平变化，其中，在输入电压火线电压大于零线上电压时，输入电压信号isig为低电平，当输入电压火线电压小于等于零线上电压时，输入电压信号isig为高电平。
33.作为本发明的优选实施方式，所述的过零时间基准始点t_start为输入电压信号isig的上升沿或下降沿。
34.作为本发明的优选实施方式，所述的微处理器发出打开信号，开始计时，电磁继电器内部触点由断开转为闭合时，火线输出与火线输入导通，在输出电压信号osig出现首个下降沿时计时结束，计时时间即为继电器的打开反应时间t_act_on。
35.作为本发明的优选实施方式，所述的微处理器发出关闭信号，开始计时，电磁继电器内部触点由闭合转为断开时，火线输出与火线输入断开，在输出电压信号osig出现高电平时间超时的时候计时结束，计时时间减去超时时间即为继电器的关闭反应时间t_act_off。
36.作为本发明的优选实施方式，所述的导通延迟时间t_delay_on满足以下条件：导通延迟时间t_delay_on＋继电器的打开反应时间t_act_on＝输入电压信号电压周期整数倍。
37.作为本发明的优选实施方式，所述的关闭延迟时间t_delay_off满足以下条件：关闭延迟时间t_delay_off＋继电器的关闭反应时间t_act_off＝输入电压信号电压周期整数倍。
38.本发明的具体实施方式中，实现电磁继电器近零电压触点导通及关闭，可根据不同电磁继电器开关反应速度及电源ac周期或频率变化自动调节。对使用过程中的温度，使用时长等可能导致开关特性变动的因素能够自适应调整。
39.本发明的该继电器过零开关结构的硬件电路至少包括微处理器及外围电路，以及：（1）继电器输入端电压检测电路，提供给微处理器交流ac输入电压信号。
40.（2）继电器输出端电压检测电路，提供给微处理器交流ac继电器输出电压信号。
41.（3）继电器驱动电路，接收执行微处理器开关信号，驱动继电器开关动作。
42.微处理器从上述ac输入电压信号中获得电压周期（或半波周期）信息，以及过零时间基准始点。
43.微处理器输出开关信号后，从上述ac继电器输出电压信号中获得继电器开关反应时间，即信号输出到继电器触点闭合或弹开动作的时间。
44.过零导通方法。需要导通时，微处理器从上述过零时间基准始点开始，延迟一个时间发出开信号。这个延迟时间需满足：延迟时间＋上述开反应时间＝输入ac电源电压周期（或半波周期）整数倍。
45.过零关闭方法。需要关闭时，微处理器从上述过零时间基准始点开始（由于继电器
已经导通，故此时间基准也可由继电器输出信号提供），延迟一个时间发出关信号。这个延迟时间需满足：延迟时间＋上述关反应时间＝上述ac电源电压周期（或半波周期，此时周期信息也可由继电器输出信号提供）整数倍。
46.在如图1所示的电路结构中，lin为火线输入，lout为火线输出，n为零线。mcu1为微处理器，可以是单片机、soc等。输入电压信号检测电路为微处理器提供了输入电压信号isig；输出电压信号检测电路为微处理器提供了输出电压信号osig；微处理器为电磁继电器驱动电路提供了开关信号switch；设火线电压（或称电势）为vl，零线上电压（或称电势）为vn。当输入电压vl＞vn时，isig为低电平。当vl＜＝vn时，isig为高电平。isig高低电平变化的周期即为ac电压的周期，设为t，半波周期则为t/2。isig上升沿或下降沿可作为或联系过零时间基准始点，该点设为t_start。当继电器打开后，lout及n之间ac电压差大于零时，osig为低电平；继电器关闭或ac电压差近零时，osig为高电平。
47.继电器打开反应时间：若打开继电器前输出端ac电压为零或近零，此时osig为高电平。微处理器mcu1发出打开信号switch on，并开始计时，电磁继电器内部触点随后由断开转为闭合时，lout与lin导通，如lout与n压差大于零，则osig转为低电平，当osig出现首个下降沿时计时结束，此段时间可直接作为或稍加处理得出继电器的打开反应时间，设此计时时间为t_act_on。
48.继电器关闭反应时间：当继电器之前已经打开时，osig为高低电平交替（周期为t/2）。微处理器mcu1发出关闭信号switch off， 并开始计时，电磁继电器内部触点随后由闭合转为断开时，lout与lin断开，如lout与n压差近零，则osig转为持续高电平，当osig出现高电平时间超时的时候计时结束，阻性负载时，此段时间减去超时的时间可直接作为或稍加处理得出继电器的关闭反应时间，设此计时时间为t_act_off。
49.设t_delay_on为打开延迟时间，t_delay_off为关闭延迟时间，n为整数，则有：nt/2＝t_act_on＋t_delay_on；t_delay_on＝nt/2
–
t_act_on；nt/2＝t_act_off＋t_delay_off；t_delay_off＝nt/2
–
t_act_off；过零导通方法。需要导通时，微处理器从上述过零时间基准始点开始（本实例中为t_start），延迟一个时间发出开信号（本例中为t_delay_on）。这个延迟时间满足：延迟时间（t_delay_on）＋上述开反应时间（t_act_on ）＝输入ac电源电压周期（或半波周期）整数倍（nt/2）。
50.过零关闭方法。需要关闭时，微处理器从上述过零时间基准始点开始（本实例中可为t_start），延迟一个时间发出关信号（本例中为t_delay_off）。这个延迟时间满足：延迟时间（t_delay_off）＋上述关反应时间（t_act_off）＝上述ac电源电压周期（或半波周期，此时周期信息也可由继电器输出信号提供）整数倍（nt/2）。
51.考虑容性负载时的情况，当输出负载存在电容时，如桥前x电容，则可能继电器断开后继电器输出端仍会存在相当长时间的电压差。若此时打开继电器（频繁开关情况下）前输出端ac电压不近零，osig为低电平，那么如若按上述3项方法度量t_act_on将产生错误，所以应当将此次度量略去或不作数。当关闭继电器时，按上述4项方法也不能得出准确的t_
act_off时间，此时可采用在t/2时间内分多段时间点，依次作为t_delay_off时间，并度量osig在进入长时间高电平前最后一次低电平的时间，以该低电平时间最接近t/2的作为最优t_delay_off选项，并反推出t_act_off时间。由于非过零关断对继电器的损害及对电器电流浪涌的影响通常远小于非过零导通，故可采用此种多次试探求解方式。
52.以上开关反应时间，可以按一定规则多次优化，并永久存储在eeprom或flash中，以便下次上电可用。
53.初次开关反应时间探测，可在产线上电测试时自动完成并存储，此时接阻性负载或空载，不受上述考虑容性负载时的情况的影响。采用了本发明的实现继电器过零开关控制功能的电路，实现电磁继电器近零电压触点导通及关闭，可根据不同电磁继电器开关反应速度及电源ac周期或频率自动调节。对使用过程中的温度，使用时长等可能导致开关特性变动的因素能够自适应调整。故有利于延长继电器使用寿命，及减小开关时负载浪涌电流冲击。
54.采用了本发明的实现继电器过零开关控制功能的方法及其电路结构，实现电磁继电器近零电压触点导通及关闭，可根据不同电磁继电器开关反应速度及电源ac周期或频率自动调节。对使用过程中的温度，使用时长等可能导致开关特性变动的因素能够自适应调整。故有利于延长继电器使用寿命，及减小开关时负载浪涌电流冲击。
55.在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

技术特征：
1.一种实现继电器过零开关控制功能的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：（1）微处理器从输入电压信号获取电压周期的信息以及过零时间基准始点t_start；（2）微处理器从输出电压信号中获取继电器的打开反应时间t_act_on或继电器的关闭反应时间t_act_off；（3）在电磁继电器近零电压触点导通或关闭的情况下，该微处理器从过零时间基准始点t_start开始，经过导通延迟时间t_delay_on发出开信号或关闭延迟时间t_delay_off发出关信号。2.根据权利要求1所述的实现继电器过零开关控制功能的方法，其特征在于，所述的步骤（1）具体包括以下步骤：（1.1）根据电势提供输入电压信号isig，判断输入电压火线电压是否大于零线上电压，如果是，则输入电压信号isig为低电平；否则，输入电压信号isig为高电平；（1.2）根据输入电压信号isig的上升沿或下降沿得到过零时间基准始点t_start。3.根据权利要求1所述的实现继电器过零开关控制功能的方法，其特征在于，所述的步骤（2）中获取继电器的打开反应时间t_act_on，具体包括以下步骤：（1-2.1）微处理器发出打开信号，开始计时；（1-2.2）在电磁继电器内部触点由断开转为闭合的情况下，火线输出与火线输入导通；（1-2.3）在输出电压信号osig出现首个下降沿时结束计时，得到计时时间，该计时时间即为继电器的打开反应时间t_act_on。4.根据权利要求1所述的实现继电器过零开关控制功能的方法，其特征在于，所述的步骤（2）中获取继电器的关闭反应时间t_act_off，具体包括以下步骤：（2-2.1）微处理器发出关闭信号，开始计时；（2-2.2）在电磁继电器内部触点由闭合转为断开的情况下，火线输出与火线输入断开；（2-2.3）在输出电压信号osig出现高电平时间超时的时候结束计时，得到计时时间，将计时时间减去超时时间，得到继电器的关闭反应时间t_act_off。5.根据权利要求1所述的实现继电器过零开关控制功能的方法，其特征在于，所述的步骤（3）中的导通延迟时间t_delay_on，具体为：根据以下公式得到导通延迟时间t_delay_on：导通延迟时间t_delay_on＋继电器的打开反应时间t_act_on＝输入电压信号电压周期整数倍。6.根据权利要求1所述的实现继电器过零开关控制功能的方法，其特征在于，所述的步骤（3）中的关闭延迟时间t_delay_off，具体为：根据以下公式得到关闭延迟时间t_delay_off：关闭延迟时间t_delay_off＋继电器的关闭反应时间t_act_off＝输入电压信号电压周期整数倍。7.一种用于实现权利要求1所述的方法的实现继电器过零开关控制功能的电路结构，其特征在于，电路结构包括微处理器，还包括：输入电压检测电路模块，与所述的微处理器相连接，为微处理器提供输入电压信号isig；电磁继电器驱动模块，与所述的微处理器和输入电压检测电路模块相连接，微处理器
为电磁继电器驱动模块提供开关信号switch，且该电磁继电器驱动模块与输入电压检测电路模块的输入火线lin相连接；输出电压检测电路模块，与所述的微处理器和电磁继电器驱动模块相连接，为微处理器提供输出电压信号osig，且所述的电磁继电器驱动模块与该输出电压检测电路模块的输出火线lout相连接；所述的微处理器进行以下控制处理：所述的微处理器从输入电压信号获取电压周期的信息以及过零时间基准始点t_start，从输出电压信号中获取继电器的打开反应时间t_act_on或继电器的关闭反应时间t_act_off；在电磁继电器近零电压触点导通的情况下，该微处理器从所述的过零时间基准始点t_start开始，经过导通延迟时间t_delay_on发出开信号；在电磁继电器近零电压触点关闭的情况下，该微处理器从所述的过零时间基准始点开始，经过关闭延迟时间t_delay_off发出关信号。8.根据权利要求7所述的实现继电器过零开关控制功能的电路结构，其特征在于，所述的输入电压信号电压周期为输入电压信号isig的高低电平变化，其中，在输入电压火线电压大于零线上电压时，输入电压信号isig为低电平，当输入电压火线电压小于等于零线上电压时，输入电压信号isig为高电平。9.根据权利要求7所述的实现继电器过零开关控制功能的电路结构，其特征在于，所述的过零时间基准始点t_start为输入电压信号isig的上升沿或下降沿。10.根据权利要求7所述的实现继电器过零开关控制功能的电路结构，其特征在于，所述的微处理器发出打开信号，开始计时，电磁继电器内部触点由断开转为闭合时，火线输出与火线输入导通，在输出电压信号osig出现首个下降沿时计时结束，计时时间即为继电器的打开反应时间t_act_on。11.根据权利要求7所述的实现继电器过零开关控制功能的电路结构，其特征在于，所述的微处理器发出关闭信号，开始计时，电磁继电器内部触点由闭合转为断开时，火线输出与火线输入断开，在输出电压信号osig出现高电平时间超时的时候计时结束，计时时间减去超时时间即为继电器的关闭反应时间t_act_off。12.根据权利要求7所述的实现继电器过零开关控制功能的电路结构，其特征在于，所述的导通延迟时间t_delay_on满足以下条件：导通延迟时间t_delay_on＋继电器的打开反应时间t_act_on＝输入电压信号电压周期整数倍。13.根据权利要求7所述的实现继电器过零开关控制功能的电路结构，其特征在于，所述的关闭延迟时间t_delay_off满足以下条件：关闭延迟时间t_delay_off＋继电器的关闭反应时间t_act_off＝输入电压信号电压周期整数倍。

技术总结
本发明涉及一种实现继电器过零开关控制功能的方法，包括以下步骤：微处理器从输入电压信号获取电压周期的信息以及过零时间基准始点t_start；微处理器从输出电压信号中获取继电器的打开反应时间t_act_on或继电器的关闭反应时间t_act_off；在电磁继电器近零电压触点导通或关闭的情况下，该微处理器从过零时间基准始点t_start开始，经过导通延迟时间t_delay_on发出开信号或关闭延迟时间t_delay_off发出关信号。采用了本发明的实现继电器过零开关控制功能的方法及其电路结构，实现电磁继电器近零电压触点导通及关闭，可根据不同电磁继电器开关反应速度及电源AC周期或频率自动调节。对使用过程中的温度，有利于延长继电器使用寿命，及减小开关时负载浪涌电流冲击。及减小开关时负载浪涌电流冲击。及减小开关时负载浪涌电流冲击。


技术研发人员：罗茂峰 夏伟 胡健
受保护的技术使用者：西蒙电气（中国）有限公司
技术研发日：2021.03.22
技术公布日：2022/3/8