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概述

瞬变抑制需求

此应用说明用于应对不正确的继电器线圈抑制导致的多个应用问题。典型症状是通过高浪涌电流开关电感负载或灯负载时常开触点的随机"点"焊。

 

通过机械开关或半导体将机电继电器迅速断电时,塌缩的磁场会产生大量的电压瞬变,以分散存储的能量并阻止电流突变。例如,12 VDC 继电器在关闭期间可能会产生 1,000 到 1,500 伏特的电压。随着现代电子系统的出现,这种相对较大的电压瞬变给设计工程师带来了 EMI、半导体击穿和开关磨损问题。因此,通常的做法是用其他元件来抑制继电器线圈,这些元件会将峰值电压限制在一个很小的水平。

继电器使用的瞬变抑制类型

图中显示了抑制继电器线圈瞬变电压的基本技术

  1. 此处观察到,抑制器件可能与继电器线圈并联,也可能与用于控制继电器的开关并联。通常,妥善做法是将抑制器件与线圈并联,因为它可以放在离继电器较近的位置(除非在印刷电路板应用中,此时可以采用任一方式)。当抑制器件与继电器线圈并联时,可以使用以下任一项。

 

A. 双向瞬变抑制二极管,其 V-I 特性类似于两个阴极连接到阴极(或阳极连接到阳极)的齐纳二极管。

 

B. 与齐纳二极管串联的反向偏置整流二极管,其阳极(或阴极)是通用的,整流器可阻止正常电流通过。

 

C. 金属氧化物变阻器 (MOV)。

 

D. 与电阻器串联的反向偏置整流二极管。

 

E. 当条件允许时,使用电阻器通常是非常经济实惠的抑制方式。

 

F. 反向偏置整流二极管。

 

G. 电阻器-电容器“减震器”。通常是非常不经济实惠的解决方案,不再视为实用的解决方案。

 

H. 双线绕组线圈,第二个绕组用作抑制器件。这不是很实用,因为大大增加了继电器的成本和尺寸。

 

与开关元件并联使用的抑制器件可能是齐纳二极管或电阻器-电容器“减震器”。与“线圈并联”应用相关联的备注也适用于此电路。

图 1:继电器线圈抑制原理图:抑制器与线圈并联

图 1:继电器线圈抑制原理图:抑制器与线圈并联

线圈抑制对继电器动力学和寿命的影响

尽管线圈抑制的使用变得越来越重要,但继电器的设计通常没有考虑到抑制器的动态冲击。因此,使用完全未抑制的继电器可获得较长的开关寿命(对于常开触点),额定电气寿命的表述通常基于这一前提。继电器触点需要以合理的高速移动至打开状态,才能成功“断开”直流负载。

 

在释放期间,典型继电器将使其电枢加速向未通电的静止位置移动。继电器能够通过提供足够的力来破坏“接通”大电流电阻负载(或具有大浪涌电流的负载)期间进行的任何轻焊,从而避免“点焊”,而触点打开瞬间的电枢速度将在继电器行使这种能力的过程中发挥重要作用。电枢速度受线圈抑制的影响较大。如果抑制器提供导电路径,从而使继电器磁路中存储的能量缓慢衰减,则电枢运动将会减慢,甚至可能暂时反向运动。反转方向和重新闭合触点(尤其在与电感负载结合时)通常会导致触点随机、间歇性“点焊”,这样一来,如果再次运行,哪怕是轻微震动,也可能导致继电器自行释放。

 

基于对电枢运动的影响以及为了优化常开触点,妥善的抑制方法是使用硅材质的瞬变抑制二极管。该抑制器对继电器释放动力学的影响很小,因为继电器瞬变将可达到预先确定的电压电平,然后允许电流以低阻抗流动。这会导致存储的能量被抑制器迅速损耗。瞬变抑制二极管可作为双向元件提供,在内部安装时允许继电器非极化。请注意,如果使用单向瞬变抑制器,则必须与整流二极管串联放置,以阻止正常电流通过,这与使用齐纳二极管相比几乎没什么优势。应选择瞬变抑制器,使其脉冲能量额定值超过任何预期的瞬变,如线圈关闭或应用中发现的电机“噪声”。

 

金属氧化物变阻器将提供类似于瞬变抑制二极管的效果,但具有更高的“通态”阻抗,因此可以产生更高的电压。例如,33 伏特瞬变抑制二极管的“钳位”电压可能在 30 至 36 伏特之间。相比之下,33 伏特 MOV 可能会将继电器保持在 45 至 55 伏特(基于具有 130 mA 线圈电流的典型汽车继电器)。当附加电压没问题时,MOV 可以比瞬变抑制器二极管节省更多成本,并且还提供非极化继电器。

 

当继电器可以极化时,与齐纳二极管串联使用反向偏置整流二极管将是不错的解决方案。Siemens Electromechanical Components (SEC) 通常建议在汽车电路中使用这种抑制方法。这对释放动力学的影响很小,不会导致可靠性下降。这通常是一种低成本方法,唯一的设计预防措施是选择具有适当击穿电压,且脉冲功率规格足以满足继电器应用要求的齐纳二极管。在以晶体管作为继电器驱动器的印刷电路板应用中,齐纳二极管可以“跨”晶体管放置;也就是说,对于一般的发射极电路,阴极连接到集电极,而阳极连接到发射极(此类电路中不使用串联整流二极管)。

 

当不需要最大负载开关容量时,可以顺利地将与电阻器串联的反向偏置整流器与某些继电器一起使用。必须小心使用值足够大的电阻器,以快速损耗继电器的存储能量,但同时保持所需的峰值电压瞬变。所需的电阻值可根据以下方程近似得出:

 

 

R = Vpeak/Icoil

其中:

R = 电阻值(欧姆)

Vpeak = 允许的峰值瞬变电压

Icoil = 稳态继电器线圈电流

 

由于电阻器中的能量损失,观察到的实际电压峰值将低于此公式计算的值。使用此类抑制时,建议咨询继电器制造商以获取推荐值。

 

当可以容忍额外功率损耗和电阻器产生的热量时,电阻器本身也可用作瞬变抑制器。大多数情况下,这将提供成本较低的抑制方法(假设可以适当调整电阻值大小,以尽量减少其对继电器性能的影响)。当应用要求允许时,SEC 通常会推荐这种方法。

 

许多工程师仅使用整流二极管为继电器线圈提供瞬变抑制。虽然这具有成本效益并且完全消除了瞬变电压,但会对继电器性能产生毁灭性的影响。这些系统中经常出现无法解释的随机“点焊”问题。在某些应用中,这个问题只是小麻烦或造成轻微的不便,控制员或操作员将循环继电器,直到获得正确的响应为止。但在许多应用中,第一次发生可能就会导致整个系统瘫痪,甚至出现危险情况。必须采用另一种继电器抑制方法对这些系统进行设计,这一点很重要。

 

为了说明各种线圈抑制对继电器响应时间的影响,请考虑以下使用汽车 ISO 型继电器记录的数据,该继电器有一个 55 欧姆的线圈且向该线圈施加了 13.5 VDC。

图 2:各种线圈抑制对继电器响应时间的影响

图 2:各种线圈抑制对继电器响应时间的影响

建议的继电器线圈抑制方法

从物理学的角度来看,推荐的继电器线圈瞬变抑制技术是使用反向偏置整流二极管和串联齐纳二极管,然后与继电器线圈并联。这样一来,继电器便具有出色的释放动力学和较长的常开触点寿命。这种抑制可以很容易地整合到印刷电路板继电器的电路中;但是,当为插座安装式继电器指定抑制时,该方法可能不如使用电阻器实用。

 

当允许的瞬变电压足够大且功率损耗可忍受时,可以使用电阻器来抑制继电器。从故障模式和影响分析 (FMEA) 的角度来看,电阻器相比上述建议的两个二极管的故障附加风险更低(前提是其值足够高,以避免对继电器的释放动力学产生不利影响)。必须注意,一种类型继电器的合适电阻值不一定适合另一种类型的继电器。

 

我们已经根据常开触点性能提供了建议的抑制技术,现在必须添加有关常闭触点的限定备注。当主负载位于常闭触点上(且常开触点上的负载较小或无负载)时,可能需要仅使用整流二极管作为继电器抑制(或者使用整流二极管和较低值的串联电阻器)。对常开触点性能产生不利影响的迟钝电枢运动通常会改善常闭触点性能。这种改善得益于常闭触点闭合期间触点弹跳减少。这是由于迟钝电枢运动产生的较低冲击速度造成的,过去曾用于改善某些继电器上的常闭触点性能。

瞬变抑制需求

此应用说明用于应对不正确的继电器线圈抑制导致的多个应用问题。典型症状是通过高浪涌电流开关电感负载或灯负载时常开触点的随机"点"焊。

 

通过机械开关或半导体将机电继电器迅速断电时,塌缩的磁场会产生大量的电压瞬变,以分散存储的能量并阻止电流突变。例如,12 VDC 继电器在关闭期间可能会产生 1,000 到 1,500 伏特的电压。随着现代电子系统的出现,这种相对较大的电压瞬变给设计工程师带来了 EMI、半导体击穿和开关磨损问题。因此,通常的做法是用其他元件来抑制继电器线圈,这些元件会将峰值电压限制在一个很小的水平。

继电器使用的瞬变抑制类型

图中显示了抑制继电器线圈瞬变电压的基本技术

  1. 此处观察到,抑制器件可能与继电器线圈并联,也可能与用于控制继电器的开关并联。通常,妥善做法是将抑制器件与线圈并联,因为它可以放在离继电器较近的位置(除非在印刷电路板应用中,此时可以采用任一方式)。当抑制器件与继电器线圈并联时,可以使用以下任一项。

 

A. 双向瞬变抑制二极管,其 V-I 特性类似于两个阴极连接到阴极(或阳极连接到阳极)的齐纳二极管。

 

B. 与齐纳二极管串联的反向偏置整流二极管,其阳极(或阴极)是通用的,整流器可阻止正常电流通过。

 

C. 金属氧化物变阻器 (MOV)。

 

D. 与电阻器串联的反向偏置整流二极管。

 

E. 当条件允许时,使用电阻器通常是非常经济实惠的抑制方式。

 

F. 反向偏置整流二极管。

 

G. 电阻器-电容器“减震器”。通常是非常不经济实惠的解决方案,不再视为实用的解决方案。

 

H. 双线绕组线圈,第二个绕组用作抑制器件。这不是很实用,因为大大增加了继电器的成本和尺寸。

 

与开关元件并联使用的抑制器件可能是齐纳二极管或电阻器-电容器“减震器”。与“线圈并联”应用相关联的备注也适用于此电路。

图 1:继电器线圈抑制原理图:抑制器与线圈并联

图 1:继电器线圈抑制原理图:抑制器与线圈并联

线圈抑制对继电器动力学和寿命的影响

尽管线圈抑制的使用变得越来越重要,但继电器的设计通常没有考虑到抑制器的动态冲击。因此,使用完全未抑制的继电器可获得较长的开关寿命(对于常开触点),额定电气寿命的表述通常基于这一前提。继电器触点需要以合理的高速移动至打开状态,才能成功“断开”直流负载。

 

在释放期间,典型继电器将使其电枢加速向未通电的静止位置移动。继电器能够通过提供足够的力来破坏“接通”大电流电阻负载(或具有大浪涌电流的负载)期间进行的任何轻焊,从而避免“点焊”,而触点打开瞬间的电枢速度将在继电器行使这种能力的过程中发挥重要作用。电枢速度受线圈抑制的影响较大。如果抑制器提供导电路径,从而使继电器磁路中存储的能量缓慢衰减,则电枢运动将会减慢,甚至可能暂时反向运动。反转方向和重新闭合触点(尤其在与电感负载结合时)通常会导致触点随机、间歇性“点焊”,这样一来,如果再次运行,哪怕是轻微震动,也可能导致继电器自行释放。

 

基于对电枢运动的影响以及为了优化常开触点,妥善的抑制方法是使用硅材质的瞬变抑制二极管。该抑制器对继电器释放动力学的影响很小,因为继电器瞬变将可达到预先确定的电压电平,然后允许电流以低阻抗流动。这会导致存储的能量被抑制器迅速损耗。瞬变抑制二极管可作为双向元件提供,在内部安装时允许继电器非极化。请注意,如果使用单向瞬变抑制器,则必须与整流二极管串联放置,以阻止正常电流通过,这与使用齐纳二极管相比几乎没什么优势。应选择瞬变抑制器,使其脉冲能量额定值超过任何预期的瞬变,如线圈关闭或应用中发现的电机“噪声”。

 

金属氧化物变阻器将提供类似于瞬变抑制二极管的效果,但具有更高的“通态”阻抗,因此可以产生更高的电压。例如,33 伏特瞬变抑制二极管的“钳位”电压可能在 30 至 36 伏特之间。相比之下,33 伏特 MOV 可能会将继电器保持在 45 至 55 伏特(基于具有 130 mA 线圈电流的典型汽车继电器)。当附加电压没问题时,MOV 可以比瞬变抑制器二极管节省更多成本,并且还提供非极化继电器。

 

当继电器可以极化时,与齐纳二极管串联使用反向偏置整流二极管将是不错的解决方案。Siemens Electromechanical Components (SEC) 通常建议在汽车电路中使用这种抑制方法。这对释放动力学的影响很小,不会导致可靠性下降。这通常是一种低成本方法,唯一的设计预防措施是选择具有适当击穿电压,且脉冲功率规格足以满足继电器应用要求的齐纳二极管。在以晶体管作为继电器驱动器的印刷电路板应用中,齐纳二极管可以“跨”晶体管放置;也就是说,对于一般的发射极电路,阴极连接到集电极,而阳极连接到发射极(此类电路中不使用串联整流二极管)。

 

当不需要最大负载开关容量时,可以顺利地将与电阻器串联的反向偏置整流器与某些继电器一起使用。必须小心使用值足够大的电阻器,以快速损耗继电器的存储能量,但同时保持所需的峰值电压瞬变。所需的电阻值可根据以下方程近似得出:

 

 

R = Vpeak/Icoil

其中:

R = 电阻值(欧姆)

Vpeak = 允许的峰值瞬变电压

Icoil = 稳态继电器线圈电流

 

由于电阻器中的能量损失,观察到的实际电压峰值将低于此公式计算的值。使用此类抑制时,建议咨询继电器制造商以获取推荐值。

 

当可以容忍额外功率损耗和电阻器产生的热量时,电阻器本身也可用作瞬变抑制器。大多数情况下,这将提供成本较低的抑制方法(假设可以适当调整电阻值大小,以尽量减少其对继电器性能的影响)。当应用要求允许时,SEC 通常会推荐这种方法。

 

许多工程师仅使用整流二极管为继电器线圈提供瞬变抑制。虽然这具有成本效益并且完全消除了瞬变电压,但会对继电器性能产生毁灭性的影响。这些系统中经常出现无法解释的随机“点焊”问题。在某些应用中,这个问题只是小麻烦或造成轻微的不便,控制员或操作员将循环继电器,直到获得正确的响应为止。但在许多应用中,第一次发生可能就会导致整个系统瘫痪,甚至出现危险情况。必须采用另一种继电器抑制方法对这些系统进行设计,这一点很重要。

 

为了说明各种线圈抑制对继电器响应时间的影响,请考虑以下使用汽车 ISO 型继电器记录的数据,该继电器有一个 55 欧姆的线圈且向该线圈施加了 13.5 VDC。

图 2:各种线圈抑制对继电器响应时间的影响

图 2:各种线圈抑制对继电器响应时间的影响

建议的继电器线圈抑制方法

从物理学的角度来看,推荐的继电器线圈瞬变抑制技术是使用反向偏置整流二极管和串联齐纳二极管,然后与继电器线圈并联。这样一来,继电器便具有出色的释放动力学和较长的常开触点寿命。这种抑制可以很容易地整合到印刷电路板继电器的电路中;但是,当为插座安装式继电器指定抑制时,该方法可能不如使用电阻器实用。

 

当允许的瞬变电压足够大且功率损耗可忍受时,可以使用电阻器来抑制继电器。从故障模式和影响分析 (FMEA) 的角度来看,电阻器相比上述建议的两个二极管的故障附加风险更低(前提是其值足够高,以避免对继电器的释放动力学产生不利影响)。必须注意,一种类型继电器的合适电阻值不一定适合另一种类型的继电器。

 

我们已经根据常开触点性能提供了建议的抑制技术,现在必须添加有关常闭触点的限定备注。当主负载位于常闭触点上(且常开触点上的负载较小或无负载)时,可能需要仅使用整流二极管作为继电器抑制(或者使用整流二极管和较低值的串联电阻器)。对常开触点性能产生不利影响的迟钝电枢运动通常会改善常闭触点性能。这种改善得益于常闭触点闭合期间触点弹跳减少。这是由于迟钝电枢运动产生的较低冲击速度造成的,过去曾用于改善某些继电器上的常闭触点性能。