發布日期：2022-10-11 來源：直流繼電器 作者：環球電氣之家 點擊率：299 品牌：組態王_Kingview
此應用說明用于應對不正確的繼電器線圈抑制導致的多個應用問題。典型癥狀是通過高浪涌電流開關電感負載或燈負載時常開觸點的隨機"點"焊。
通過機械開關或半導體將機電繼電器迅速斷電時，塌縮的磁場會產生大量的電壓瞬變，以分散存儲的能量并阻止電流突變。例如，12 VDC 繼電器在關閉期間可能會產生 1,000 到 1,500 伏特的電壓。隨著現代電子系統的出現，這種相對較大的電壓瞬變給設計工程師帶來了 EMI、半導體擊穿和開關磨損問題。因此，通常的做法是用其他元件來抑制繼電器線圈，這些元件會將峰值電壓限制在一個很小的水平。
圖中顯示了抑制繼電器線圈瞬變電壓的基本技術
此處觀察到，抑制器件可能與繼電器線圈并聯，也可能與用于控制繼電器的開關并聯。通常，妥善做法是將抑制器件與線圈并聯，因為它可以放在離繼電器較近的位置（除非在印刷電路板應用中，此時可以采用任一方式）。當抑制器件與繼電器線圈并聯時，可以使用以下任一項。
A. 雙向瞬變抑制二極管，其 V-I 特性類似于兩個陰極連接到陰極（或陽極連接到陽極）的齊納二極管。
B. 與齊納二極管串聯的反向偏置整流二極管，其陽極（或陰極）是通用的，整流器可阻止正常電流通過。
C. 金屬氧化物變阻器 (MOV)。
D. 與電阻器串聯的反向偏置整流二極管。
E. 當條件允許時，使用電阻器通常是非常經濟實惠的抑制方式。
F. 反向偏置整流二極管。
G. 電阻器-電容器“減震器”。通常是非常不經濟實惠的解決方案，不再視為實用的解決方案。
H. 雙線繞組線圈，第二個繞組用作抑制器件。這不是很實用，因為大大增加了繼電器的成本和尺寸。
與開關元件并聯使用的抑制器件可能是齊納二極管或電阻器-電容器“減震器”。與“線圈并聯”應用相關聯的備注也適用于此電路。
圖 1：繼電器線圈抑制原理圖：抑制器與線圈并聯
盡管線圈抑制的使用變得越來越重要，但繼電器的設計通常沒有考慮到抑制器的動態沖擊。因此，使用完全未抑制的繼電器可獲得較長的開關壽命（對于常開觸點），額定電氣壽命的表述通常基于這一前提。繼電器觸點需要以合理的高速移動至打開狀態，才能成功“斷開”直流負載。
在釋放期間，典型繼電器將使其電樞加速向未通電的靜止位置移動。繼電器能夠通過提供足夠的力來破壞“接通”大電流電阻負載（或具有大浪涌電流的負載）期間進行的任何輕焊，從而避免“點焊”，而觸點打開瞬間的電樞速度將在繼電器行使這種能力的過程中發揮重要作用。電樞速度受線圈抑制的影響較大。如果抑制器提供導電路徑，從而使繼電器磁路中存儲的能量緩慢衰減，則電樞運動將會減慢，甚至可能暫時反向運動。反轉方向和重新閉合觸點（尤其在與電感負載結合時）通常會導致觸點隨機、間歇性“點焊”，這樣一來，如果再次運行，哪怕是輕微震動，也可能導致繼電器自行釋放。
基于對電樞運動的影響以及為了優化常開觸點，妥善的抑制方法是使用硅材質的瞬變抑制二極管。該抑制器對繼電器釋放動力學的影響很小，因為繼電器瞬變將可達到預先確定的電壓電平，然后允許電流以低阻抗流動。這會導致存儲的能量被抑制器迅速損耗。瞬變抑制二極管可作為雙向元件提供，在內部安裝時允許繼電器非極化。請注意，如果使用單向瞬變抑制器，則必須與整流二極管串聯放置，以阻止正常電流通過，這與使用齊納二極管相比幾乎沒什么優勢。應選擇瞬變抑制器，使其脈沖能量額定值超過任何預期的瞬變，如線圈關閉或應用中發現的電機“噪聲”。
金屬氧化物變阻器將提供類似于瞬變抑制二極管的效果，但具有更高的“通態”阻抗，因此可以產生更高的電壓。例如，33 伏特瞬變抑制二極管的“鉗位”電壓可能在 30 至 36 伏特之間。相比之下，33 伏特 MOV 可能會將繼電器保持在 45 至 55 伏特（基于具有 130 mA 線圈電流的典型汽車繼電器）。當附加電壓沒問題時，MOV 可以比瞬變抑制器二極管節省更多成本，并且還提供非極化繼電器。
當繼電器可以極化時，與齊納二極管串聯使用反向偏置整流二極管將是不錯的解決方案。Siemens Electromechanical Components (SEC) 通常建議在汽車電路中使用這種抑制方法。這對釋放動力學的影響很小，不會導致可靠性下降。這通常是一種低成本方法，唯一的設計預防措施是選擇具有適當擊穿電壓，且脈沖功率規格足以滿足繼電器應用要求的齊納二極管。在以晶體管作為繼電器驅動器的印刷電路板應用中，齊納二極管可以“跨”晶體管放置；也就是說，對于一般的發射極電路，陰極連接到集電極，而陽極連接到發射極（此類電路中不使用串聯整流二極管）。
當不需要最大負載開關容量時，可以順利地將與電阻器串聯的反向偏置整流器與某些繼電器一起使用。必須小心使用值足夠大的電阻器，以快速損耗繼電器的存儲能量，但同時保持所需的峰值電壓瞬變。所需的電阻值可根據以下方程近似得出：
R = Vpeak/Icoil
其中：
R = 電阻值（歐姆）
Vpeak = 允許的峰值瞬變電壓
Icoil = 穩態繼電器線圈電流
由于電阻器中的能量損失，觀察到的實際電壓峰值將低于此公式計算的值。使用此類抑制時，建議咨詢繼電器制造商以獲取推薦值。
當可以容忍額外功率損耗和電阻器產生的熱量時，電阻器本身也可用作瞬變抑制器。大多數情況下，這將提供成本較低的抑制方法（假設可以適當調整電阻值大小，以盡量減少其對繼電器性能的影響）。當應用要求允許時，SEC 通常會推薦這種方法。
許多工程師僅使用整流二極管為繼電器線圈提供瞬變抑制。雖然這具有成本效益并且完全消除了瞬變電壓，但會對繼電器性能產生毀滅性的影響。這些系統中經常出現無法解釋的隨機“點焊”問題。在某些應用中，這個問題只是小麻煩或造成輕微的不便，控制員或操作員將循環繼電器，直到獲得正確的響應為止。但在許多應用中，第一次發生可能就會導致整個系統癱瘓，甚至出現危險情況。必須采用另一種繼電器抑制方法對這些系統進行設計，這一點很重要。
為了說明各種線圈抑制對繼電器響應時間的影響，請考慮以下使用汽車 ISO 型繼電器記錄的數據，該繼電器有一個 55 歐姆的線圈且向該線圈施加了 13.5 VDC。
圖 2：各種線圈抑制對繼電器響應時間的影響
從物理學的角度來看，推薦的繼電器線圈瞬變抑制技術是使用反向偏置整流二極管和串聯齊納二極管，然后與繼電器線圈并聯。這樣一來，繼電器便具有出色的釋放動力學和較長的常開觸點壽命。這種抑制可以很容易地整合到印刷電路板繼電器的電路中；但是，當為插座安裝式繼電器指定抑制時，該方法可能不如使用電阻器實用。
當允許的瞬變電壓足夠大且功率損耗可忍受時，可以使用電阻器來抑制繼電器。從故障模式和影響分析 (FMEA) 的角度來看，電阻器相比上述建議的兩個二極管的故障附加風險更低（前提是其值足夠高，以避免對繼電器的釋放動力學產生不利影響）。必須注意，一種類型繼電器的合適電阻值不一定適合另一種類型的繼電器。
我們已經根據常開觸點性能提供了建議的抑制技術，現在必須添加有關常閉觸點的限定備注。當主負載位于常閉觸點上（且常開觸點上的負載較小或無負載）時，可能需要僅使用整流二極管作為繼電器抑制（或者使用整流二極管和較低值的串聯電阻器）。對常開觸點性能產生不利影響的遲鈍電樞運動通常會改善常閉觸點性能。這種改善得益于常閉觸點閉合期間觸點彈跳減少。這是由于遲鈍電樞運動產生的較低沖擊速度造成的，過去曾用于改善某些繼電器上的常閉觸點性能。
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