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继电器是否一定要加二极管?怎么加合适?

2021-05-11 赵明灿 阅读:
前不久,我的同事Jenny Liao编译了一篇EDN美国版的文章《简单修改电路,使600个产品起死回生!》,但却被一些网友diss说这是“小白设计”,“继电器不加二极管能找到工作?”…一开始我的反应也是为继电器反并联一个二极管可以起到续流作用,但是后来仔细一想,好像情况并没有那么简单…

前不久,我的同事Jenny Liao编译了一篇文章《简单修改电路,使600个产品起死回生!》,并把它刊登在了《EDN电子技术设计》网站上。内容大概是说,原本没有问题的产品,在经过采用新版本的继电器后,出现了吸合抖动的情况。后来,作者通过对继电器线圈并联一个二极管,解决了这个问题。7NNednc

好好的一篇文章,却遭来了一些不和谐的评论,什么“小白设计”,“继电器不加二极管能找到工作?”,诸如此类的。于是,Jenny就满是疑惑地过来问我说,为什么会有这么多人说这是小白设计,但是英文原文却没有出现这样的评论呢?7NNednc

一开始我的反应也是继电器要反并联一个二极管,起到续流作用嘛。但在仔细查看了那些老外们的评论后,我发现情况并没有那么简单。下面EDN就带大家了解下具体情况。7NNednc

加二极管的情况

据TE Connectivity的应用笔记“Coil Suppression Can Reduce Relay Life”(抑制线圈会缩短继电器寿命)所述,典型的拍合式继电器在断电或掉电以后,磁通量会发生下降,当磁力下降到小于弹簧力时,衔铁开始断开。随着衔铁继续断开,弹簧力会根据衔铁位置而减小,但相反的磁力也会随衔铁位置和线圈电流衰减(两者都会使线圈磁通量减小)而减小。随着继电器线圈中的电流中断,其上的磁通量崩溃,所产生的瞬态感应电压就可能高达数百甚至数千伏。如1所示,在简单的串联开关电路中,线圈控制开关的两端就会出现感应电压和电源电压两者的叠加。7NNednc

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图1:未加二极管的典型直流继电器,其在吸合和释放时的线圈电压电流动态曲线。(图片来源:TE Connectivity)7NNednc

通用二极管优缺点

在现今的逻辑控制系统中,通常会使用固态开关来对直流线圈继电器进行控制,并会使用各种抑制技术来对这个开关进行保护,从而使其免受线圈断电感应电压的影响。这些技术通常通过对线圈分流来实现,目的是减轻线圈电流突然中断而导致线圈磁通量发生崩溃。7NNednc

一种非常普遍的做法是对线圈反并联一个通用二极管,用它来阻止电源电压而与反极性线圈感应电压形成导通。这样就为流经线圈的电流提供了一条返回路径,就可以将线圈感应电压的幅度限制在二极管的正向压降,从而使线圈电流以及磁通量缓慢衰减(见2)。7NNednc

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图2:增加二极管的典型直流继电器,其在吸合和释放时的线圈电压电流动态曲线。(图片来源:TE Connectivity)7NNednc

并联二极管可为固态开关提供最大的保护,但却可能对继电器的开关性能产生非常不利的影响。众所周知,迫使衔铁断开的合力是磁力与弹簧力之差,两者都在发生变化,从而使合力随时间和衔铁位置变化。正是这个合力促使衔铁和触点弹簧发生转换,进而引起衔铁系统的速度和动量发生改变。7NNednc

缓慢衰减的磁通量会使合力积分值较小,也即衔铁加速打开较慢,而在只对线圈并联二极管的情况中,磁通量衰减最慢。实际上,由硬NO(常开触点)弹簧提供的打开力会快速减小,而磁力则缓慢衰减,这就可能使合力在一段时间内出现反转。在此期间,衔铁速度会减慢、停止甚至暂时出现反转,直到磁通量进一步衰减,最终使弹簧“返回”力为正,从而使转换继续。7NNednc

还有一点需要注意的就是,当功率继电器的触点发生闭合时,这会把飞快上升的(例如电阻性的)中、大电流负载连接到电压源,这就会使相配触点之间出现微小的熔融界面,进而引起微焊或粘连状态,在下一次断开转换时就必须将其分开。7NNednc

通常,在动衔铁动量的帮助下,合力完全可以克服这个“粘”力而实现触点的转换。然而,衔铁速度的下降甚至逆转(在只加续流二极管的条件下),以及衔铁动量的减少,可能使粘连断开失败而出现触点“焊接”现象。7NNednc

最佳方案:增加“通用二极管+稳压管”的串联组合旁路

线圈电流衰减得越快,磁力减小得就越快,因而衔铁动量和触点粘连的“断开能力”就越大。7NNednc

显然,这在不采用抑制的情况下是最佳的。然而,将通用二极管串联一个稳压二极管,就可以获得接近最佳的衰减率。当线圈电源中断时,线圈电流会通过这个串联组合旁路续流,其上的电压将保持等于稳压管的电压(加上二极管正向压降),直到线圈能量耗尽为止,如图3所示。7NNednc

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图3:增加二极管和24V稳压管的典型直流继电器,其在吸合与释放时的线圈电压电流动态曲线。(图片来源:TE Connectivity)7NNednc

可选择合适的稳压电压值,将线圈开关电压限制在开关额定值可接受的水平。这就为线圈开关保护和继电器开关性能提供了最佳折衷方案。应采用这种方法来确保最高的继电器性能和可靠性,同时为控制电路提供对线圈感应电压的保护。7NNednc

最后,此文指出,一般业界都会在无线圈抑制情况下对继电器进行测试,然后建立额定性能。当应用条件要求对线圈感应电压进行抑制时,建议使用待用抑制条件来评估继电器的性能。7NNednc

替代方案:并联双向TVS二极管

同时,EDN也向Littelfuse的技术专家杜尧生进行了请教。他告诉EDN,为继电器线圈增加一个反并联二极管的情况不太多。其原因是它主要是为了吸收反电动势,如果是加二极管的话,反电动势马上就会形成短路状态,这时电流会很大,就容易把线圈给烧毁了。一般,Littelfuse是采用加TVS管旁路来把这个脉冲给吸收掉。TVS管是一种钳位型器件,它可以只吸收脉冲,而不会造成整个短路的情况。7NNednc

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图4:采用双向TVS保护最简单有效,这样就可以只用一个器件实现单向TVS+稳压管两个器件的功能。(Littelfuse杜尧生供图)7NNednc

同时,他补充说,这也要看情况,主要是看两点:吸合时能量的大小,以及断开时反电动势的大小——只要控制器件能承受这两个条件就不用加。还有种方法是加RC吸收回路来吸收掉这个能量。7NNednc

  • 高压端还要加消火花电路
  • 其实还是利用了MOSFET中的寄生二极管进行了泄放,只不过不需要额外外接一个独立的二极管而已。
  • RC缓冲电路也是用在直流电压场合(开关电源)中哦。
    续流这个词用在这里是不太好,续流是用在MOS管场合,这里可以叫做泄放二极管或者吸收二极管。谢谢指正哦。
  • 文末说的加rc回路是在交流电压场合下吧。
    这个题目似乎始终缺乏一个通俗且权威的解答,而且续流这个词总有点歧义的感觉,我觉得叫泄放二极管似乎更贴近。
    好多年以前看过一篇文章,说早期的日本和台湾工程师把反并二极管当做技术秘密,对大陆技术人员秘而不宣。
  • 以前带动4000w大功率负载,触点问题常出现总算找到原因了,感谢大佬。要是下次到其他公司再碰到这类问题,可以借鉴大佬的方法,他们要是不差钱的话我也想尝试用固态继电器
  • 一句话讲清楚的事
  • 印工点评(3):三种方法各有千秋,续流管最廉价电路简化, 泄放电压彻底, 线圈无残余电压抗饱和材料不敏感,但由于脉宽宽泄放时长对继电器触点寿命不利;续流管串稳压管电路复杂,脉宽窄泄放时间相对短利好触点寿命但有残余剩余电压, 对线圈磁材具直流磁通抗饱和要求;TVS主要是成本因素。
  • 印工点评(2):还有第三种方法是在驱动三极管集电极对地并接TVS管,具有高达10的负12次方秒级的极速瞬态响应,实现对继电器与电路电压的双重保护。
  • 印工点评(1):这篇技术科普小文提到了“Coil Suppression Can Reduce Relay Life”, 其实就是要想表达继电器线圈在去激励过程中的线圈瞬态电压抑制的问题. 常见的反向并接续流二极管可以进行反压彻底的泄放, 但需要的时长较长对继电器触点释放寿命有一定的损害;采用了稳压管与续流管串接的方式抬升了泄放电压阀值,使得时间可以变短提升了触点寿命。
  • 不错。赶得早,不如赶得巧。
本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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