交流接触器节能芯片的研发及应用探究

摘 要 交流接触器是利用线圈通交流电产生磁场而使大电流负载得以通电工作的一种电器设备，是现在工业生产中应用很广泛的一种强电开关。但其也有明显的缺陷：交流电通过线圈时会产生能耗，当应用的交流接触器数量到一定程度时，所产生的能耗是很惊人的。本文从接触器节能原理出发，通过介绍交流接触器节能芯片的设计与实现说明了现在节能芯片的一些研发和应用。

【关键词】交流接触器 节能芯片 研发应用

交流接触器如今已经广泛应用到各种工业生产及人们的日常生活中，作为一种强电开关，主要就是要起到能安全控制大电流负载工作的作用。由于现今投入使用的交流接触器数量庞大，因此研究交流接触器的节能技术具有很大的经济和社会效益。现在对交流接触器进行节能设计的一般方法就是安装节能器，这种方法安装简单，只需把交流电源与节能器电源输入相连即可。本文主要以一种专用节能芯片ZDLX的设计、测试与实现为例论述了交流接触器节能芯片的一些研发与应用。

1 交流接触器节能原理

交流接触器的工作原理是利用线圈通交流电产生强磁场，磁场力控制接触器触头的闭合，以此来控制大电流负载的得电失电。因为通电线圈一般都是由铜导线构成，是有一定电阻的，因此当线圈通交流电时，会消耗一定的功率产生能耗，即我们通常所说的“铜损”。此外还有感应电势产生的涡流损耗，两者的能耗加起来是一个很大的数字，因此交流接触器的节能显得尤为重要。

交流接触器节能的一般原理是改交流运行为直流运行。由于铁磁物质中磁微粒特殊的极性排列方式，当采用交流电充磁时，会发生正反交替的充磁行为，导致额外的能量损失，再加上铜损、涡流损耗等能量损失，严重降低了接触器的效率，增大了能耗。但利用直流电流就可以很好地解决这个问题，接触器在吸合后铁芯间隙极小，只需通入很小的直流电流就可以达到控制开关闭合的作用，实现节能的目的。

本文提出的ZDLX节能专用芯片的节能原理是通过改变芯片输出脉冲的宽度来改变节能器的占空比，以此达到节能目的。在铁芯吸合阶段，提高输出脉冲的宽度可以得到吸动力高的电压，高效的完成吸合过程；吸持阶段，再减小输出脉冲宽度，使得铁芯在低电压下也能保持吸持状态，达到了节能的目的。

2 芯片设计

本文所提出的ZDLX节能专用芯片的设计采用的是数模混合设计方法。整个系统分为两个部分：模拟部分和数字部分。模拟部分包括电源、缓冲、振荡器、基准等模块以及上电复位电路，主要完成一些辅助电路、接口电路的信号产生和前段处理工作；数字部分包括分频、延时、脉宽调整、信号合成、输出缓冲等模块，主要完成外部信号的终处理工作。

2.1 应用电路设计

芯片进行系统定义后，需要与节能器系统连接使用，这就必须要先进行应用电路的设计，电感、电容、电阻、二极管等主要的元器件构成了整个应用电路，其中电感和安规电容构成应用电路的输入，能够使电源滤波，提高电路抗磁能力；压敏电阻控制电路中的过压现象和电阻与高压电容一起保护可控硅；二极管可以为接触器的线圈在失电后提供续流作用。

2.2 模拟电路设计

模拟电路的设计主要包括带隙基准源电路、电压偏置电路、振荡器电路、电压缓冲电路及上电复位电路的设计。其中带隙基准源电路主要是为应用系统提供一个参考电压来影响电路的性能，但电压对温度和电源电压依赖性很小，可以采用自偏置的基准源结构；电压偏置电路的作用是为振荡器电路提供电压，可以采用运算放大器与两个电阻构成闭环负反馈的结构形式；振荡器电路是为了实现调节脉宽和延时功能，一般采用将电流控制振荡器集成到芯片内的结构形式；电压缓冲电路与电压偏置电路一样也是为了给振荡器供电，提高整个供电系统的稳定性与抗干扰性；上电复位电路，顾名思义，是为了提供复位信号的电路模块，可以利用二极管形式达到结构设计的目的。

2.3 数字电路设计

数字电路的设计按逻辑功能不同可以分为组合电路设计与时序电路设计两大部分。组合电路的设计需要有具体的逻辑问题，再计算出该逻辑问题的实现电路，根据计算出的逻辑函数式选定合适的元器件组合成所需逻辑电路的连接图；时序电路对输入信号的依赖性很大，包括最初的输入信号，常见时序电路有存储器、寄存器电路等。值得注意的是，时序电路中通常也包含有组合电路。

3 芯片外围电路工作原理

外围电路与应用电路实现的功能各有不同，其工作原理也有所区别。结合芯片外围电路图可以得到节能器的工作原理如下：

当电源两极通入220V的交流电后，数个整流二极管对通入的交流电进行半波整流，改变了交流接触器两端的实际电压，同时整流后的电压经过两个限压电阻和稳压管进行分压最后得到所需的一个工频方波信号，这个工频方波信号即是作为芯片的输入信号输入到芯片系统中。分压后的电压继续通过降压电阻、稳压二极管、滤波电容最后得到满足要求的稳定电压作为电源电压给芯片供电。方波信号输入后可以直接控制可控硅达到控压的作用，最后实现交流接触器的吸合。在吸持阶段，信号改变输入脉冲的宽度调整了节能器的占空比，使电流保持在一个很小的峰值内，因此实现了交流接触器的节能效果，提高了电器的使用寿命和安全性。

4 芯片测试结果

对已经设计制造完成的芯片还要进行功能测试，看是否满足性能要求。测试前首先应该制作芯片测试电路板，电路板的一端与芯片相连，一端与示波器相连，在输入直流电压和整波滤波后产生得到的工频方波信号输入后，在示波器上观察产生的波形，看是否与理论结果一致。

设计芯片的目的是为了提高交流接触器的节能效果，因此测试的主要目标应该是能代表节能效果的指标。即输出脉宽宽度。具体过程是在规定电源电压下输入指定方波信号，观察输出是否是符合要求的窄脉宽方波信号，若是，则说明节能效果良好。

此外，还有电磁兼容、噪音、寿命、动作电压范围等测试，这里就不一一介绍了。

5 结束语

了解交流接触器的节能基本原理和节能芯片的应用能对创新出新的节能方案有所启示，现在交流接触器节能器的节能方案仍然不够完善，如对铜线发热等损耗仍然没有什么有效的控制办法，这就需要设计者积累经验，开拓创新，设计出更实用的交流接触器。

参考文献

[1]彭成.交流接触器节能芯片的研发与应用[D].浙江大学，2011.

[2]韩雁，寿鑫莉，丁晨等.交流接触器节能专用芯片的设计与实现[J].电子技术应用，2012，38（6）：27-30.

作者简介

曹荣祥，男，江苏省泰兴市人。硕士研究生学历。现为南京六九零二科技有限公司主任设计师。研究方向为手机硬件设计。

作者单位

南京六九零二科技有限公司 江苏省南京市 210009

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