根據(jù)交流接觸器的工作原理，當(dāng)交流接觸器處于吸持的狀態(tài)時(shí)，交流電流通過交流接觸器的線圈會(huì)消耗一定的能耗。例如，一臺(tái)CJ20-250A的交流接觸器，按1天工作8 h，1年工作300天計(jì)算，年耗電量為156 kW·h。由于我國正在運(yùn)行的大、中容量交流接觸器數(shù)量很大，累計(jì)起來年耗電量非常驚人[1]。因此，交流接觸器的節(jié)能技術(shù)具有非常大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前市場上已有的交流接觸器節(jié)能運(yùn)行方案很多，但是節(jié)能技術(shù)的推廣面比較小，普及率不高。出現(xiàn)這種情況的原因主要有：有的節(jié)能附加裝置要占用或者調(diào)整接觸器的輔助觸頭；有的節(jié)能方案還不夠完善，可能會(huì)降低交流接觸器的工作可靠性、性能指標(biāo)以及使用壽命[2]。

    交流接觸器的節(jié)能技術(shù)之一是使接觸器在直流方式下運(yùn)行，這樣不僅節(jié)省電能，還能顯著降低噪聲和溫升，而且能夠延長交流接觸器的壽命。
    在這樣的背景下，本文設(shè)計(jì)了一款采用改變占空比自轉(zhuǎn)換式方案的交流接觸器節(jié)能專用芯片ZDLX。此節(jié)能方案具有體積小、成本低、節(jié)電效果好，并且不需要占用接觸器的輔助觸頭，可以輕易地對已有的傳統(tǒng)交流接觸器進(jìn)行改造；能使量大面廣的機(jī)電產(chǎn)品降低能耗，具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。因此ZDLX芯片具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。
1 交流接觸器節(jié)能的基本原理
    交流接觸器基于“通電吸合，帶電保持，斷電釋放”的工作原理，其控制方式一般采用交流電流控制。交流接觸器在正常工作時(shí)，交流電通過接觸器線圈，不僅存在銅損而且存在鐵損。一方面，交流接觸器的線圈一般都是銅線，這些銅導(dǎo)線具有一定的電阻，電流流過線圈的電阻會(huì)消耗一定的功率，這部分損耗往往變成熱量而消耗，即稱這種損耗為“銅損”。銅損由線圈電流決定，占總能耗的30%左右；另一方面，線圈通交流電后所產(chǎn)生的磁通在鐵心流動(dòng)，因?yàn)殍F心本身也是導(dǎo)體，在垂直于磁力線的平面上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢，這個(gè)電勢在鐵心的斷面上形成閉合回路并產(chǎn)生電流，好像一個(gè)旋渦（稱為“渦流”）。這個(gè)“渦流”使接觸器的損耗增加，并且使接觸器的鐵心發(fā)熱導(dǎo)致溫度升高。由“渦流”所產(chǎn)生的損耗稱為“鐵損”，鐵損占總能耗的70%左右。
    交流接觸器節(jié)能的基本原理是將其電磁系統(tǒng)的交流運(yùn)行方式改為直流吸合，即直流吸持的工作方式。同時(shí)交流接觸器具有強(qiáng)激磁吸動(dòng)和弱激磁吸持的特性。所謂強(qiáng)激磁吸動(dòng)，就是要使交流接觸器的觸頭從斷開到吸合，必須要有強(qiáng)磁場的作用。而弱激磁吸持是指一旦接觸器的觸頭吸合，只需較弱的磁場就能使接觸器的觸頭保持吸持狀態(tài)。因此，可以使線圈先流過大電流使接觸器吸合，吸合后通過小電流讓接觸器保持在吸持狀態(tài)。從而讓交流接觸器在吸持狀態(tài)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。
    改變占空比自轉(zhuǎn)換式節(jié)能器的節(jié)能是通過改變芯片輸出脈沖的寬度來實(shí)現(xiàn)的。在吸合階段，調(diào)節(jié)輸出脈沖為寬脈沖得到高吸動(dòng)電壓，從而使交流接觸器安全可靠地吸合。吸合后，節(jié)能器再將輸出脈沖轉(zhuǎn)換成足以維持吸合的窄脈沖，從而維持低電壓，以達(dá)到節(jié)能的目的。改變占空比自轉(zhuǎn)換式節(jié)能器的基本信號(hào)處理流程為：交流電源經(jīng)二極管半波整流轉(zhuǎn)換成直流后直接供電給操作線圈，使接觸器電磁系統(tǒng)強(qiáng)激磁吸動(dòng)；然后經(jīng)一段時(shí)間的延時(shí)后由變換器自動(dòng)轉(zhuǎn)換為窄脈沖寬度的脈沖信號(hào)來控制線圈的接通和關(guān)斷，使線圈上的電壓成為10 V以下的脈沖電壓，從而實(shí)現(xiàn)交流接觸器吸持狀態(tài)的低電能消耗的目的[3-5]。

2 芯片設(shè)計(jì)
    ZDLX節(jié)能專用芯片的系統(tǒng)框圖如圖1所示。芯片采用數(shù)模混合設(shè)計(jì)方法。模擬部分主要作為輔助電路、接口電路、時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生及信號(hào)的前端處理，主要包括電源模塊、緩沖模塊、振蕩器模塊、基準(zhǔn)模塊以及上電復(fù)位電路[6-8]。而數(shù)字部分主要作用是對外部信號(hào)進(jìn)行基于某種算法的處理，產(chǎn)生所希望的控制信號(hào)。數(shù)字部分的模塊主要包括分頻電路、延時(shí)模塊、脈寬調(diào)整模塊、信號(hào)合成模塊以及輸出緩沖模塊[9]。

    模擬電路模塊主要功能是產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘脈沖信號(hào)以及上電復(fù)位信號(hào)。時(shí)鐘脈沖信號(hào)發(fā)給數(shù)字電路作為時(shí)鐘基準(zhǔn)，而上電復(fù)位信號(hào)則在上電開始時(shí)對輸出清零。數(shù)字電路的功能是通過脈寬調(diào)整模塊將輸入的10 ms脈寬的工頻方波信號(hào)處理為脈寬為1.5 ms的工頻方波信號(hào)。延時(shí)模塊將上電復(fù)位信號(hào)延時(shí)130 ms后作為信號(hào)合成模塊的控制端，最后通過輸出緩沖電路輸出信號(hào)。因此電源電壓上電后，芯片先輸出周期為20 ms、脈沖寬度為10 ms的工頻方波信號(hào)，然后經(jīng)過130 ms延時(shí)后輸出經(jīng)脈沖寬度調(diào)整電路輸出的脈沖寬度為1.5 ms的工頻方波信號(hào)。
    圖2是芯片的整體功能仿真圖。圖中，IN曲線是周期為20 ms、脈沖寬度為10 ms的輸入工頻方波信號(hào)，SUPPLY為芯片的電源電壓曲線，RESET為模擬部分上電復(fù)位電路產(chǎn)生的上電清零信號(hào)。從圖中可以看出，當(dāng)芯片的電源電壓上升到約3.8 V以上時(shí)，芯片內(nèi)部的清零信號(hào)RESET輸出高電平，在接著的130 ms時(shí)間內(nèi)芯片輸出脈沖寬度為10 ms的工頻波形信號(hào)。130 ms后,SELECT輸出為低電平，芯片接著輸出脈沖寬度為1.5 ms的脈沖波形。而當(dāng)電源電壓突然降低到3.8 V以下時(shí)，RESET輸出為0,芯片輸出也為0。而當(dāng)電源電壓恢復(fù)到正常電壓時(shí)，芯片輸出重復(fù)正常上電后的輸出信號(hào)。因此，芯片同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)在電源電壓降低到一定值時(shí)輸出清零、而當(dāng)電源電壓正常時(shí)正常輸出的功能。

3 芯片的外圍電路及工作原理
      結(jié)合圖3的芯片外圍應(yīng)用電路圖和圖4的節(jié)能器工作波形示意圖以及節(jié)能器的工作原理如下：220 V交流電源接到AC1和AC2之間，交流電通過整流二極管進(jìn)行半波整流，整流后交流接觸器一端的E點(diǎn)電壓如圖4所示。整流后的電壓通過R2、R3及穩(wěn)壓管D3分壓后得到周期為20 ms、脈沖寬度為10 ms的工頻方波信號(hào)，將這個(gè)方波信號(hào)輸入到芯片的信號(hào)輸入端signal。整流后的電壓同時(shí)經(jīng)過降壓電阻R1、穩(wěn)壓二極管D4及濾波電容C1和C3得到一個(gè)穩(wěn)定的5 V電源電壓給ZDLX芯片進(jìn)行供電。芯片的輸出直接接可控硅的控制端，因此芯片在上電后先輸出周期為20 ms、脈沖寬度為10 ms的工頻方波信號(hào)，此時(shí)由于可控硅在正半波完全導(dǎo)通，因此流過交流接觸器上的直流電流非常大，使接觸器鐵芯的吸力也很大，從而很快實(shí)現(xiàn)了交流接觸器的吸合。當(dāng)交流接觸器上電吸合130 ms以后，ZDLX芯片Out輸出周期為20 ms、脈沖寬度為1.5 ms的工頻方波信號(hào)。由于此時(shí)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間變得更短，放電時(shí)間更長，而且當(dāng)Out處于高電平時(shí)，E點(diǎn)對應(yīng)的電壓已經(jīng)不大，經(jīng)過占空比較小的脈沖寬度時(shí)間的充電，線圈電流也不會(huì)增大很多，從而使電流峰值處在一個(gè)較低的值。此時(shí)線圈電流Ij處于小電流狀態(tài)，維持交流接觸器觸頭的閉合。由于線圈上的電流很小，因此節(jié)能器實(shí)現(xiàn)了降低交流接觸器的功耗的目的，同時(shí)也降低了交流接觸器的線圈噪聲和溫升，對交流接觸器的主電路具有保護(hù)功能，可延長交流接觸器的使用壽命。

4 芯片測試結(jié)果
    本芯片采用無錫上華的0.5 ?滋m混合信號(hào)CMOS工藝流片[10]。包括輸入輸出PAD和內(nèi)核，芯片的尺寸為0.73 mm×0.62 mm，總面積為0.5 mm2，芯片總電流為400 ?滋A。由于電源電壓為5 V，因此功耗為2 mW。
    圖5是芯片上電后的輸出波形。如圖所示，芯片上電后130 ms內(nèi)輸出脈沖寬度為10 ms的工頻方波信號(hào)(圖5中虛線前６個(gè)脈沖)，然后再輸出脈沖寬度為1.5 ms的工頻方波信號(hào)（圖5虛線后面脈沖），輸出信號(hào)滿足設(shè)計(jì)的要求。

    GB 14048.4-2003《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備機(jī)電式接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器》規(guī)定：接觸器釋放和完全斷開的極限值是其額定控制電源電壓U(220 V)的10%～75%(直流)，即10%U適用于完全斷開的上限值，75%U適用于保持閉合的下限值[12]。根據(jù)外圍電路的設(shè)計(jì)，當(dāng)外部交流電源為75%U以上時(shí)，芯片電源電壓大于4 V；當(dāng)外部交流電源在10%U以下時(shí)，芯片的電源電壓低于3.5 V。因此，芯片必須實(shí)現(xiàn)當(dāng)電源電壓下降到3.5 V以下時(shí)，芯片輸出為0；而電源電壓在4 V以上時(shí)芯片正常輸出。圖6是芯片在電源電壓降低后的輸出波形圖。如圖所示，芯片電源電壓為5 V時(shí)，芯片輸出窄脈寬方波信號(hào)；當(dāng)電源電壓下降到3.76 V以下時(shí)，芯片輸出低電平；而當(dāng)電源電壓再升高到3.76 V以上后，芯片正常輸出。芯片實(shí)現(xiàn)了在電源電壓下降到大約3.8 V時(shí)輸出低電平，并在電源電壓恢復(fù)到正常值時(shí)輸出正常。因此芯片在低電源電壓下具有保護(hù)功能。

    從表1可以看出，以交流接觸器節(jié)能芯片ZDLX為核心的節(jié)能器的節(jié)電率大約為90%，節(jié)能效果非常顯著。
    本文設(shè)計(jì)了一款采用改變占空比自轉(zhuǎn)換技術(shù)的交流接觸器節(jié)能專用集成電路芯片ZDLX，對芯片進(jìn)行了封裝和測試，測試結(jié)果十分理想, 達(dá)到了設(shè)計(jì)所要求的功能和性能指標(biāo)。同時(shí)為芯片設(shè)計(jì)了外圍應(yīng)用電路配合交流接觸器進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，交流接觸器的能耗減低了約90%。因此ZDLX芯片具有非常好的節(jié)電效果，在節(jié)能減排的大環(huán)境下具有非常重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉炳彰，林李杰.交流接觸器節(jié)電綜述[J].江蘇電器，2002(2)：9-14.
[2] 姚芳林，朱振遠(yuǎn).交流接觸器節(jié)能技術(shù)的研究[J].節(jié)能技術(shù)，1993(2)：30-31.
[3] 周淑軍，王曉穎.交流接觸器節(jié)電技術(shù)的發(fā)展[J].電氣時(shí)代，2005(2)：65-66.
[4] 劉炳彰.交流接觸器節(jié)電技術(shù)發(fā)展和GB8871標(biāo)準(zhǔn)修訂簡介[J].低壓電器，2001(2)：58-62.
[5] 何展提.交流接觸器節(jié)電技術(shù)[J].電氣時(shí)代，2006(12)：68-69.
[6] ALLEN P E，HOLBERG D R.CMOS集成電路設(shè)計(jì)（英文版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.
[7] 畢查德 拉扎維.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.
[8] JOU S J，CHEN T L.On-chip voltage down converter for LP/LV digital system[J].IEEE International Symposium on Circuits and System，1997(3)：1996.
[9] RABAEY J M.數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)透視（英文版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.
[10] HASTINGS A.The art of analog Layout[M].Prentice Hall，2001.
[11] 交流接觸器節(jié)電器，GB8871-2001，國家標(biāo)準(zhǔn)[S].2001.
[12] GB 14048.4-2003，低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備機(jī)電式接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器，國家標(biāo)準(zhǔn)[S].2003.