继电器驱动电路设计.doc
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毕业设计（论文）
题目：
继电器驱动电路设计
系：
专业班级：
学生姓名：
指导教师：
20XX年X月
II
内蒙古电子信息职业技术学院毕业设计（论文）继电器驱动电路设计
Ⅰ
继电器驱动电路设计
摘要
近年来，随着电子信息产业的快速发展，继电器已经渗入到生活的各个领域，它是很难找到哪些领域没有继电器的痕迹。
继电器，广泛应用于家电，通讯，汽车，仪器仪表，机械设备，航空航天自动化和控制领域。
最近的统计数据显示，继电器已经成为不可缺少的开关控制器件。
本设计研究继电器的驱动原理，并据此设计出继电器驱动电路。
关键词：
继电器驱动电路
I
目录
第1章绪论 2
1.1项目背景 3
1.2红外遥控的发展 5
1.3项目背景和建设意义 5
第二章几种常用红外遥控器协议 6
2.1NEC协议 6
2.2NokiaNRC1协议 7
2.3PhilipsRC-5协议 8
2.4ITT协议 9
2.5Sharp协议 10
第三章红外遥控发射电路 12
3.1HT6221芯片介绍 12
3.2HT6221应用电路 13
3.3HT6221键码生成方式 14
3.3.1HT6221键码的形成 14
3.3.2代码格式 15
第1章绪论
1.1项目背景
近年来，随着电子信息产业的飞速发展，作为基础元件的继电器被广泛应用在家电、通信、汽车、仪器仪表、机器设备、航空航天等自动化控制领域。
最近的统计数据显示，在电子元件产品中，继电器已经成为第一大产品。
单片机控制继电器的电路在生活中随处可见，小的元件但是作用无穷。
在机电控制系统中，虽然利用接触器作为电气执行元件可以实现最基本的自动控制，但对于稍复杂的情况就无能为力。
在极大多数的机电控制系统中，需要根据系统的各种状态或参数进行判断和逻辑运算，然后根据逻辑运算结果去控制接触器等电气执行元件，实现自动控制的目的。
这就需要能够对系统的各种状态或参数进行判断和逻辑运算的电器元件，这一类电器元件就称为继电器。
继电器实质上是一种传递信号的电器，它是一种根据特定形式的输入信号转变为其触点开合状态的电器元件。
一般来说，继电器由承受机构、中间机构和执行机构三部分组成。
承受机构反映继电器的输入量，并传递给中间机构，与预定的量（整定量）进行比较，当达到整定量时（过量或欠量），中间机构就使执行机构动作，其触点闭合或断开，从而实现某种控制目的。
继电器作为系统的各种状态或参量判断和逻辑运算的电器元件，主要起到信号转换和传递作用，其触点容量较小。
所以，通常接在控制电路中用于反映控制信号，而不能像接触器那样直接接到有一定负荷的主回路中。
这也是继电器与接触器的根本区别。
继电器的种类很多，按它反映信号的种类可分为电流、电压、速度、压力、温度等；按动作原理分为电磁式、感应式、电动式和电子式；按动作时间分为瞬时动作和延时动作。
电磁式继电器有直流和交流之分，它们的重要结构和工作原理与接触器基本相同，它们各自又可分为电流、电压、中间、时间继电器等。
下面介绍几种常用的继电器。
1.2 继电器种类
1.2.1中间继电器
中间继电器是用来转换和传递控制信号的元件。
他的输入信号是线圈的通电断电信号，输出信号为触点的动作。
它本质上是电压继电器，但还具有触头多（多至六对或更多）、触头能承受的电流较大（额定电流5A～10A）、动作灵敏（动作时间小于0.05s）等特点。
中间继电器的图形符号如图1-1所示，其文字符号用KA表示。
中间继电器的主要技术参数有额定电压、额定电流、触点对数以及线圈电压种类和规格等。
选用时要注意线圈的电压种类和规格应和控制电路相一致。
图1-1中间继电器的图形符号
1.2.2电压继电器
电压继电器是根据电压信号工作的，根据线圈电压的大小来决定触点动作。
电压继电器的线圈的匝数多而线径细，使用时其线圈与负载并联。
按线圈电压的种类可分为交流电压继电器和直流电压继电器；按动作电压的大小又可分为过电压继电器和欠电压继电器。
对于过电压继电器，当线圈电压为额定值时，衔铁不产生吸合动作。
只有当线圈电压高出额定电压某一值时衔铁才产生吸合动作，所以称为过电压继电器。
交流过电压继电器在电路中起过压保护作用。
而直流电路中一般不会出现波动较大的过电压现象，因此，在产品中没有直流过电压继电器。
对于欠电压继电器，当线圈电压达到或大于线圈额定值时，衔铁吸合动作。
当线圈电压低于线圈额定电压时衔铁立即释放，所以称为欠电压继电器。
欠电压继电器有交流欠电压继电器和直流欠电压继电器之分，在电路中起欠压保护作用。
电压继电器的图形符号如图1-2所示，其文字符号用KV表示。
图中左边线圈符号为过电压线圈符号，右边线圈符号为欠电压线圈符号。
图1-2电压继电器的图形符号
1.2.3电流继电器
电流继电器是根据电流信号工作的，根据线圈电流的大小来决定触点动作。
电流继电器的线圈的匝数少而线径粗，使用时其线圈与负载串联。
按线圈电流的种类可分为交流电流继电器和直流电流继电器；按动作电流的大小又可分为过电流继电器和欠电流继电器。
对于过电流继电器，工作时负载电流流过线圈，一般选取线圈额定电流（整定电流）等于最大负载电流。
当负载电流不超过整定值时，衔铁不产生吸合动作。
当负载电流高出整定电流时衔铁产生吸合动作，所以称为过电流继电器。
过电流继电器在电路中起过流保护作用特别是对于冲击性过流具有很好的保护效果。
对于欠电流继电器，当线圈电流达到或大于动作电流值时，衔铁吸合动作。
当线圈电流低于动作电流值时衔铁立即释放，所以称为欠电流继电器。
正常工作时，由于负载电流大于线圈动作电流，衔铁处于吸合状态。
当电路的负载电流降至线圈释放电流值以下时，衔铁释放。
欠电流继电器在电路中起欠电流保护作用。
在交流电路中需要欠电流保护的情况比较少见，所以产品中没有交流欠电流继电器。
而在某些直流电路中，欠电流会产生严重的不良后果，如运行中的直流他励电机的励磁电流，因此有直流欠电流继电器。
电流继电器的图形符号如图6.30所示，其文字符号用KA表示。
图中左边线圈符号为过电流线圈符号，右边线圈符号为欠电流线圈符号。
图1-3电流继电器
1.2.4时间继电器
时间继电器是一种从得到输入信号（线圈的通电或断电）开始，经过一个预先设定的时延后才输出信号（触点的闭合或断开）的继电器。
根据延时方式的不同，可分为通电延时继电器和断电延时继电器。
通电延时继电器接受输入信号后，延迟一定的时间输出信号才发生变化。
而当输入信号消失后，输出信后瞬时复位。
通电延时继电器的图形符号，其文字符号用KT表示。
断电延时继电器接受输入信号后，瞬时产生输出信号。
而当输入信号消失后，延迟一定的时间输出信号才复位。
断电延时继电器的图形符号如图1-4所示，其文字符号用KT表示。
图1-4通电延时继电器的图形符号
时间继电器按工作原理分为电磁式、电动式、空气阻尼式和电子式等。
电磁式、电动式、空气阻尼式是传统的时间继电器，在早期的机电系统中普遍采用，但其存在着定时精度低、故障率高等问题。
电子式时间继电器是新型的时间继电器，发展非常迅速。
由于电子技术的飞速发展，使得电子式时间继电器的制造成本与传统的时间继电器相当，但其性能大大提高，功能不断扩展，所以是现在和将来时间继电器的主流。
1.2.5数字式时间继电器
与晶体管式时间继电器相比，数字式时间继电器的延时范围可成倍增加，定时精度可提高两个数量级以上，控制功率和体积更小，适用于各种需要精确延时的场合以及各种自动化控制电路中。
这类时间继电器功能特别强，有通电延时、断电延时、定时吸合、循环延时4种延时形式，十几种延时范围供用户选择，以及数字显示，这是晶体管时间继电器所无法比拟的。
1.2.6固态继电器
固体（态）继电器（简称SSR）是采用固体半导体元件组装而成的一种新颖的无触点开关。
固体继电器通常为封装结构，它采用绝缘防水材料浇铸，如塑料封装、环氧树脂灌封等。
由于固体继电器的接通和断开没有机械接触部件，因而具有控制功率小、开关速度快、工作频率高、使用寿命长、很强的耐振动和抗冲击能力、动作可靠性高、抗干扰能力强、对电源电压的适应范围广、耐压水平高、噪声低等一系列优点。
现在，固体继电器已经在许多自动化控制装置中代替了常规电磁式继电器，尤其在动作频繁、防爆、耐潮和耐腐蚀等特殊场合。
固态继电器按切换负载性质分为直流和交流两种，现以使用最为广泛的带有电压过零触发的交流型固态继电器AC-SSR为例进行介绍。
如图1-5所示，当无信号输入时，光电耦合器中的光敏三极管是截止的，电阻R2为晶体管V1提供基极注入电流，使V1管饱和导通，它旁路了经由电阻R4流入可控硅V2的触发电流，故V2截止，这时晶体管V1经桥式整流电路而引入的电流很小。
不足以使双向可控硅V3导通。
图1-5固态继电器典型应用电路图
有信号时，光电耦合器中的光敏三极管就导通，但只有当交流负载电源电压接近零时，电压值较低，经过整流，R2和R3分压点上的电压不足以使晶体管V1导通。
而整流电压却经过R4为可控硅V2提供了触发电流，故V2导通，这种状态相当于短路，电流很大，只要达到双向可控硅的导通值，V3便导通。
一旦V3导通，不管输入信号是否存在．只有当电流过零时才能恢复关断。
第二章继电器驱动方案介绍
2.1三极管驱动继电器方案
晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：
锗管和硅管。
而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。
对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结。
对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。
三极管是一种很常用的控制和驱动器件，在数字电路和模拟电路中都有大量的应用，常用的三极管根据材料分有硅管和锗管两种，原理相同，压降略有不同，硅管用的较普遍，而锗管应用较少，以下以硅管为例进行讲解。
三极管有2种类型，分别是 PNP型和NPN型。
先来认识一下，如下图所示。
三极管一共有3个极，横向左侧的引脚叫做基极（base），中间有一个箭头，一头连接基极，另外一头连接的是发射极e（emitter），剩下的一个引脚就是集电极c（collector）。
三极管有截止、放大、饱和三种工作状态。
放大状态主要应用于模拟电路中，且用法和计算方法也比较复杂，我们暂时用不到。
而数字电路主要使用的是三极管的开关特性，只用到了截止与饱和两种状态，所以我们也只来讲解这两种用法。
三极管的类型和用法有个总结：
箭头朝内 PNP，箭头朝外NPN，导通电压顺箭头过，电压导通。
电流控制。
三极管的用法特点，关键点在于b极（基极）和e级（发射极）之间的电压情况，对于PNP而言，e极电压只要高于b级0.7V以上（硅三极管的PN结道导通电压，如果是锗三极管，这个电压大概为0.3V），这个三极管e级和c级之间就可以顺利导通。
也就是说，控制端在b和e之间，被控制端是e和c之间。
同理，NPN型三极管的导通电压是b极比e极高0.7V，总之是箭头的始端比末端高0.7V就可以导通三极管的e极和c极。
这就是关于“导通电压顺箭头过，电压导通”的解释。
晶体管主要由PNP和NPN两种。
由于两种三极管的内部构造不同，因此在驱动继电器时，电路也是不同的。
具体电路如下图所示：
图2-1NPN三极管驱动继电器电路图
图2-2PNP三极管驱动继电器电路图
NPN晶体管驱动时：
当晶体管T1基极被输入高电平时，晶体管饱和导通，集电极变为低电平，因此继电器线圈通电，触点RL1吸合。
当晶体管T1基极被输入低电平时，晶体管截止，继电器线圈断电，触点RL1断开。
PNP晶体管驱动电路目前没有采用，因此在这里不作介绍。
电路中各元器件的作用：
晶体管可视为控制开关，放大倍数β一般选择在120～240之间。
电阻R1主要起限流作用，降低晶体管T1功耗，阻值为1KΩ。
电阻R2使晶体管T1可靠截止，阻值为5.1KΩ。
二极管D1反向续流，抑制浪涌，一般选1N4148即可。
2.2光耦驱动继电器方案
光耦的基本作用，是将输入、输出侧电路进行有效的电气上的隔离；能以光形式传输信号；有较好的抗干扰效果；输出侧电路能在一定程度上得以避免强电压的引入和冲击。
主要有下面几点应用。
1.电气隔离的要求。
A与B电路之间，要进行信号的传输，但两电路之间由于供电级别过于悬殊，一路为数百伏，另一路为仅为几伏；两种差异巨大的供电系统，无法将电源共用；
2.A电路与强电有联系，人体接触有触电危险，需予以隔离。
而B线路板为人体经常接触的部分，也不应该将危险高电压混入到一起。
两者之间，既要完成信号传输，又必须进行电气隔离；
3.运放电路等高阻抗型器件的采用，和电路对模拟的微弱的电压信号的传输，使得对电路的抗干扰处理成为一件比较麻烦的事情——从各个途径混入的噪声干扰，有可能反客为主，将有用信号“淹没”掉；
4.除了考虑人体接触的安全，又必须考虑到电路器件的安全，当光电耦合器件输入侧受到强电压（场）冲击损坏时，因光耦的隔离作用，输出侧电路却能安全无恙。
光电耦合器件的一般属性：
1、结构特点：
输入侧一般采用发光二极管，输出侧采用光敏晶体管、集成电路等多种形式，对信号实施电-光-电的转换与传输。
2、输入、输出侧之间有光的传输，而无电的直接联系。
输入信号的有无和强弱控制了发光二极管的发光强度，而输出侧接受光信号，据感光强度，输出电压或电流信号。
3、输入、输出侧有较高的电气隔离度，隔离电压一般达2000V以上。
能对交、直流信号进行传输，输出侧有一定的电流输出能力，有的可直接拖动小型继电器。
特殊型光耦器件能对毫伏，甚至微伏级交、直流信号进行线性传输。
4、因光耦的结构特性，输入、输出侧需要相互隔离的独立供电电源，即需两路无“共地”点的供电电源。
下述一、二类光耦输入侧由信号电压提供了输入电流通路，但实质上输入信号回路，也是有一个供电支路的；而线性光耦，则输入侧与输出侧一样，是直接接有两种相隔离的供电电源的。
典型的光耦驱动继电器电路，如下图所示：
图2-3光耦驱动继电器电路图
2.3ULN2003驱动继电器方案
ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。
它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。
ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO约为36V。
图2-4ULN2003驱动继电器电路图
左图1～7是信号输入（IN），10～16是输出信号（OUT），8和9是集成电路电源。
右图是集成块内部原理图。
根据集成电路驱动器2003的输入输出特性，有人把它简称叫“驱动器”“反向器”“放大器”等。
当2003输入端为高电平时，对应的输出口输出低电平，继电器线圈通电，继电器触点吸合；当2003输入端为低电平时，继电器线圈断电，继电器触点断开；在2003内部已集成起反向续流作用的二极管，因此可直接用它驱动继电器。
第三章继电器驱动电路设计
3.1输入信号放大电路设计
本设计中，红外遥控发射端发送遥控指令，接收端接收到之后，相应输出引脚会输出高电平。
但是由于该电平驱动能力有限，因此需要进行适当放大。
因此，首先将该信号经过NPN三极管进行方法。
具体电路如下所示：
图3-1三极管信号放大电路图
上述电路中，三极管的基极串联1.5K的限流电阻，防止输入电流过大，烧坏三极管。
通过，在三极管的发射级串连一个270欧姆的电阻，为了防止集电极和发射级过电流太大，烧坏三极管。
3.2光耦信号隔离电路设计
本设计中，为了防止继电器线圈反向放电，对红外遥控接收端造成损伤，特别添加了光耦隔离电路。
光耦的基本作用，是将输入、输出侧电路进行有效的电气上的隔离；能以光形式传输信号；有较好的抗干扰效果；输出侧电路能在一定程度上得以避免强电压的引入和冲击。
具体电路如下所示：
。
图3-2光耦隔离电路图
3.3继电器线圈保护设计
因为继电器线圈在断电的一瞬间会产生一个很强的反向电动势，对其它元件有影响，在继电器线圈两端并联电阻和反向并联二极管是用来消耗这个反向电动势的，通常叫做消耗二极管和消耗电阻；直流继电器一般采用二极管，并联电阻的比较少见。
关断的时候线圈通过二极管泄放储存的磁场能，不会对其他元器件造成影响。
继电器断开（相当于电感断开）时,产生一个感生电动势.并联的二极管会在这个电动势的作用下沿着电感与二极管形成的回路继续向电感（线圈）供电.因此会有一定的关断延时。
并一个二极管的意义在于保护继电器的线圈不被断开时产生的高电压所损坏.（绝缘击穿,线间短路....）一般来说继电器都有一定的滞后.通常在毫秒级或十毫秒级,加上二极管后虽然有时延,但通常也是可以忽略不计的.
图3-3继电器保护二极管电路图
3.4继电器联动控制设计
本设计中，为了能实现电机正反转控制，采用4个继电器组成了H桥驱动电路。
电路如下图所示。
其中，K1和K3继电器，以及K2和K4继电器，分别两两组成联动电路，两路分别使用一个触发信号，即可实现继电器同时打开，驱动电机单方向运转。
由于红外接收电路一次只输出一个驱动信号，所以一次只能导通一个回路，继而电机一次只能向一个方向单向运动。
图3-4继电器整体控制电路图
致谢
（致谢内容）
参考文献
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