淺析用二極管抑制電磁繼電器線圈瞬態(tài)電壓的幾種電路

阮永剛，劉宇奇

(陜西群力電工有限責(zé)任公司，陜西寶雞，721300)

1 引言

電磁繼電器是航天、航空、電子、兵器、艦船、通訊等裝備中常用的一種電子元器件。因其感性的線圈在去激勵(lì)過(guò)程中產(chǎn)生幅值極高、能量較大、脈寬較小的瞬態(tài)電壓，導(dǎo)致裝備的控制電路常常被損傷或損壞。我們?cè)趯?duì)用戶(hù)的技術(shù)服務(wù)過(guò)程中，對(duì)繼電器線圈的瞬態(tài)電壓抑制電路做了分析和調(diào)整，多次解決了用戶(hù)的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。

瞬態(tài)電壓對(duì)電路中元器件造成的損傷和損壞與元器件的大小，特別是與PN結(jié)的有效面積有關(guān)，有效面積越小，越易受損。目前，電子元器件越來(lái)越微型化、表貼化，智能芯片的貼裝密度也越來(lái)越高，瞬態(tài)電壓對(duì)電路中元器件的損傷和損壞日益顯現(xiàn)，使整體電路的性能和可靠性降低。

抑制瞬態(tài)電壓常用且有效的方法之一是用二極管抑制電磁繼電器線圈兩端的瞬態(tài)電壓。在電磁繼電器總規(guī)范和可靠性相關(guān)的美軍標(biāo)、國(guó)軍標(biāo)中均有不同程度的論述。在美軍標(biāo)MIL－HDBK－338《可靠性設(shè)計(jì)手冊(cè)》第一卷 7.4.6"減少設(shè)計(jì)失誤的方法"一節(jié)明確提出了由于電路缺少續(xù)流二極管而受到較高的電壓應(yīng)力，按失效前平均工作時(shí)間計(jì)，無(wú)續(xù)流二極管的電路為53萬(wàn)小時(shí)，有續(xù)流二極管的幾乎達(dá)到100萬(wàn)小時(shí)。目前，采用二極管抑制電磁繼電器瞬態(tài)電壓已成為電子工程師們的共識(shí)，甚至國(guó)內(nèi)外電磁繼電器制造廠商為了順應(yīng)市場(chǎng)的需求，在繼電器內(nèi)部增加了瞬態(tài)電壓抑制二極管。由于瞬態(tài)擬制電路和采用的二極管不同，對(duì)瞬態(tài)電壓的抑制效果差異較大，對(duì)繼電器的工作影響有顯著不同。為此我們對(duì)采用二極管抑制電磁繼電器線圈瞬態(tài)電壓的電路進(jìn)行分析和討論。

2 二極管抑制電磁繼電器線圈瞬態(tài)電壓的電路

2.1 瞬態(tài)電壓

繼電器線圈兩端的去激勵(lì)為階躍信號(hào)，去激勵(lì)由額定值直接減小到0。電磁繼電器輸入電路中經(jīng)常采用晶體管(或場(chǎng)效應(yīng)管)來(lái)驅(qū)動(dòng)，晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，晶體管的動(dòng)作時(shí)間最高可以達(dá)到ns級(jí)，在晶體管截止的瞬間，電磁繼電器線圈兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幅值極高的瞬態(tài)電壓，瞬態(tài)電壓大小的數(shù)學(xué)模型見(jiàn)下式:

式中，E——瞬態(tài)電壓;

L——線圈電感;

I——線圈中的穩(wěn)態(tài)電流;

dt——關(guān)斷時(shí)間。

由于在電磁繼電器去激勵(lì)過(guò)程中，不僅施加在感性線圈上的電流會(huì)發(fā)生變化，而且因繼電器磁路中銜鐵的位置不同，線圈的電感量也會(huì)發(fā)生變化;盡管繼電器線圈的電感量L和線圈中的電流I均較小，但驅(qū)動(dòng)繼電器的晶體管的截止時(shí)間dt更小，因而會(huì)產(chǎn)生幅值極高的瞬態(tài)電壓。該瞬態(tài)電壓不僅施加給繼電器線圈本身，也施加給輸入電路中的其它元器件，瞬態(tài)電壓不僅會(huì)造成線圈匝間絕緣損傷，而且會(huì)造成匝間短路，增大了線圈中的電流，在頻繁的工作過(guò)程中，形成惡性循環(huán)，直至繼電器線圈損壞;瞬態(tài)電壓施加給電路中的其它元器件，會(huì)損傷或損壞電路中耐壓較低的元器件，降低電路的可靠性，甚至造成電路損壞并且不能正常工作。

驅(qū)動(dòng)繼電器的晶體管截止時(shí)間dt，主要取決于晶體管基極信號(hào)工作沿的陡峭程度?；鶚O信號(hào)工作沿越陡峭，瞬態(tài)電壓幅值也會(huì)越高，這將會(huì)降低繼電器和晶體管等外圍電路的可靠性;晶體管基極的信號(hào)邊沿越平坦，造成晶體管工作在放大區(qū)的時(shí)間越長(zhǎng)，大大降低繼電器動(dòng)作的可靠性。因此，電磁繼電器的驅(qū)動(dòng)采用陡峭的工作沿，并配備瞬態(tài)抑制電路的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

瞬態(tài)電壓的脈沖寬度是由繼電器線圈中儲(chǔ)存能量的多少以及釋放這些能量的電路參數(shù)所決定。線圈中儲(chǔ)存的能量由線圈電感、線圈中的穩(wěn)定電流決定，釋放這些能量則受線圈電阻、瞬態(tài)抑制電路的類(lèi)型、瞬態(tài)抑制電路中元件參數(shù)等因素的影響。

2.2 瞬態(tài)電壓抑制電路中的二極管

瞬態(tài)電壓抑制電路中常用的二極管有開(kāi)關(guān)二極管、穩(wěn)壓二極管和瞬態(tài)電壓抑制二極管。它們均能有效地抑制電路中的瞬態(tài)電壓，為電路提供保護(hù)。這種保護(hù)是以減小產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓為目的，二極管極高的響應(yīng)速度正好滿(mǎn)足了這種需求。開(kāi)關(guān)二極管抑制瞬態(tài)電壓具有單向工作和響應(yīng)時(shí)間快的特性，響應(yīng)時(shí)間一般為ns級(jí)。穩(wěn)壓二極管和瞬態(tài)抑制二極管(TVS管)具有雙向工作特性，正向工作時(shí)同普通二極管相同，反向工作都可以用來(lái)抑制瞬態(tài)電壓。兩者在穩(wěn)定電流和響應(yīng)時(shí)間上有區(qū)別，穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電流大些，響應(yīng)時(shí)間慢一些。在穩(wěn)壓二極管基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的TVS管的穩(wěn)定電流小，響應(yīng)時(shí)間極快，可在10－12S的級(jí)別上響應(yīng)。

2.3 瞬態(tài)電壓的抑制電路及仿真

2.3.1 不加瞬態(tài)電壓抑制二極管的電路及仿真

圖1為晶體管驅(qū)動(dòng)電磁繼電器不加瞬態(tài)電壓抑制二極管的電路。要求晶體管的基極施加方波信號(hào)，使晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。圖1中手動(dòng)按鈕J1為機(jī)械式觸點(diǎn)，在接通和斷開(kāi)瞬間過(guò)程中有抖動(dòng)，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)晶體管的信號(hào)不是理想方波，為了獲得較為理想的方波信號(hào)，將手動(dòng)按鈕產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)消抖和整形電路Circuit01(以下Circuit01電路功能相同)后提供給驅(qū)動(dòng)繼電器的晶體管，滿(mǎn)足了繼電器的驅(qū)動(dòng)要求。同時(shí)將該驅(qū)動(dòng)信號(hào)送入示波器A通道，將晶體管集電極信號(hào)送入示波器通道B，將繼電器線圈等效成一只純電感和一只電阻串聯(lián)，仿真過(guò)程我們以JQX－20MC/028規(guī)格的繼電器為例，仿真過(guò)程只計(jì)電流的變化量，不計(jì)由銜鐵位置變化引起的電感量的變化。

圖1 不加瞬態(tài)電壓抑制二極管的晶體管驅(qū)動(dòng)電磁繼電器電路

圖2 為虛擬示波器測(cè)試出的仿真結(jié)果。從圖中可以清楚地看到B通道的信號(hào)僅在A通道下降沿到來(lái)時(shí)刻才產(chǎn)生一個(gè)脈沖瞬態(tài)電壓，該瞬態(tài)電壓的幅度約為1500V(見(jiàn)圖2)。在 GJB1461－92《含可靠性指標(biāo)的電磁繼電器總規(guī)范》4.7.10.2條直流電磁干擾一節(jié)，描述了瞬態(tài)電壓幅值約1200V。圖3為我們仿真的波形。掃描時(shí)間調(diào)為50μs/格時(shí)，測(cè)得瞬態(tài)電壓的全脈沖寬度約為39.2μs。電磁繼電器在階躍去激勵(lì)時(shí)刻線圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幅值極大、脈沖寬度極小的脈沖式瞬態(tài)電壓。

圖2 虛擬示波器測(cè)試出的仿真結(jié)果

圖3 仿真的波形

2.3.2 采用開(kāi)關(guān)二極管的瞬態(tài)抑制電路

圖4為電磁繼電器線圈瞬態(tài)電壓抑制的典型電路之一。圖中二極管D1也稱(chēng)為續(xù)流二極管，該二極管為線圈斷電瞬間產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓提供了泄放電流的回路，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)瞬態(tài)電壓的抑制。對(duì)強(qiáng)功率及中、弱功率電磁繼電器，線圈額定電壓為28Vd.c.時(shí)，瞬態(tài)電壓抑制采用開(kāi)關(guān)二極管1N4148是常見(jiàn)的電路之一，可以將線圈斷電瞬間的晶體管集電極電壓Vc鉗位在Vc=Vcc+VFD(VFD為二極管D1的正向?qū)▔航导s為0.9V)的水平上。由于將瞬態(tài)電壓抑制的比較徹底，線圈中能量泄放需要較長(zhǎng)的時(shí)間，造成繼電器的釋放時(shí)間、釋放回跳時(shí)間明顯增加，使該繼電器的觸點(diǎn)電壽命嚴(yán)重下降。

從仿真結(jié)果圖5中可以看到，瞬態(tài)電壓抑制后晶體管集電極電壓VC的最大電壓為28.8V，瞬態(tài)電壓的脈沖寬度為3.6ms，與不加續(xù)流二極管相比，極大地抑制了瞬態(tài)電壓的幅度，但脈沖寬度卻大大增加。

圖4 電磁繼電器線圈瞬態(tài)電壓抑制的典型電路

圖5 仿真結(jié)果

2.3.3 采用開(kāi)關(guān)二極管與穩(wěn)壓二極管配合抑制瞬態(tài)電壓的電路

對(duì)強(qiáng)功率及中、弱功率電磁繼電器，線圈額定電壓為28Vd.c.時(shí)，圖6為常見(jiàn)的瞬態(tài)電壓抑制電路之一。通過(guò)二極管D1、D2在晶體管關(guān)斷瞬間對(duì)晶體管集電極電壓Vc進(jìn)行抑制，其中Vc=VZD2+VFD1+VCC(VZD2為穩(wěn)壓二極管的工作電壓)，圖6中D2選用1N5240B，它的工作電壓VZD2=10V，D1選用1N4148，它的正向?qū)妷篤FD1=0.9V，VC=38.9V。通過(guò)對(duì)瞬態(tài)電壓峰值的鉗制，降低了瞬態(tài)電壓的峰值，減小了電路的電壓應(yīng)力，達(dá)到了保護(hù)電路的目的。該電路優(yōu)點(diǎn)是對(duì)繼電器的釋放時(shí)間、釋放回跳時(shí)間影響較小，減小了對(duì)繼電器電壽命的影響;缺點(diǎn)是對(duì)瞬態(tài)電壓的抑制不徹底，線圈中的能量沒(méi)有得到徹底釋放。

圖6 常見(jiàn)的瞬態(tài)電壓抑制電路

圖7 仿真結(jié)果

從圖7的仿真結(jié)果可以看出，晶體管集電極電壓VC=38.9V，脈沖寬度為1.4ms。與圖4電路的抑制結(jié)果相比，圖6電路抑制后晶體管集電極電壓較高，脈沖寬度較小。目前，半導(dǎo)體器件制造商已將二極管D1、D2集成在同一封裝中，不僅減小了體積，而且提高了電路的可靠性。

當(dāng)繼電器線圈參數(shù)和晶體管的關(guān)斷時(shí)間為定值時(shí)，經(jīng)抑制后的瞬態(tài)電壓幅值與脈沖寬度之間的關(guān)系是瞬態(tài)電壓幅值越高，脈沖寬度越窄，對(duì)繼電器的釋放時(shí)間影響越小，但相關(guān)電路要承受的電壓應(yīng)力也越高;瞬態(tài)電壓幅值越低，脈沖寬度越寬，相關(guān)電路要承受的電壓應(yīng)力越小，但對(duì)繼電器的釋放影響越大。

2.3.4 采用TVS管抑制瞬態(tài)電壓的電路

TVS管抑制瞬態(tài)電壓可以接成與圖6相似的電路，電路應(yīng)采用雙向的瞬態(tài)抑制二極管，其優(yōu)點(diǎn)是瞬態(tài)抑制響應(yīng)時(shí)間短，可以達(dá)到10－12S，TVS管可以集成在電磁繼電器內(nèi)部，瞬態(tài)抑制電路對(duì)繼電器釋放時(shí)間的影響程度，可以在繼電器制造過(guò)程中得到控制。

圖8 TVS管抑制瞬態(tài)電壓

TVS管抑制瞬態(tài)電壓如圖8所示電路，TVS管D1采用單向的瞬態(tài)抑制二極管，晶體管截止瞬間的集電極電壓Vc=V(BR)D1，一般選取V(BR)D1=(1.2～1.5)Vcc，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器和外電路的保護(hù)。該電路的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)瞬態(tài)電壓的抑制響應(yīng)速度極快，可以達(dá)到10－12S，可以靈活的通過(guò)改變 TVS管D1的規(guī)格來(lái)調(diào)整晶體管截止瞬間的集電極電壓Vc的大小，把瞬態(tài)電壓及其對(duì)繼電器的釋放時(shí)間的影響控制在可接受的范圍。TVS管D1不能安裝在繼電器內(nèi)部，可以集成在晶體管內(nèi)。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

我們選擇JQX－20MC/028規(guī)格的繼電器6只進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，用VC9807+型數(shù)字萬(wàn)用表和DL－6243型電容電感測(cè)量?jī)x分別對(duì)線圈的直流電阻和電感量進(jìn)行了測(cè)量;用JDCS－Ⅲ型繼電器時(shí)間參數(shù)測(cè)量?jī)x對(duì)繼電器的時(shí)間參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)記錄表

3 結(jié)論

繼電器去激勵(lì)過(guò)程中產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓大小與繼電器線圈的電感量、穩(wěn)定電流、去激勵(lì)的快慢密切相關(guān)。瞬態(tài)電壓的脈沖寬度是由線圈中儲(chǔ)存能量的多少及釋放這些能量的電路決定。瞬態(tài)電壓的抑制是以減小已產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓對(duì)外圍電路的影響為目的，可以從瞬態(tài)電壓的幅度、脈沖寬度、響應(yīng)速率三個(gè)方面進(jìn)行抑制。瞬態(tài)抑制電路集成在電磁繼電器內(nèi)部，對(duì)繼電器釋放時(shí)間、回跳時(shí)間的影響，可以在繼電器制造過(guò)程中得到控制，繼電器制造商應(yīng)在繼電器的相關(guān)資料中注明瞬態(tài)電壓的抑制水平，供用戶(hù)選用;瞬態(tài)抑制電路配置在繼電器外部，抑制電路較為靈活，可以靈活調(diào)整瞬態(tài)電壓抑制水平，但對(duì)繼電器釋放時(shí)間、回跳時(shí)間的影響不可控;瞬態(tài)電壓的抑制響應(yīng)時(shí)間越快越好;瞬態(tài)電壓的抑制水平，不一定越低越好，應(yīng)根據(jù)電路能承受的電壓應(yīng)力來(lái)合理選擇瞬態(tài)抑制電路和其中元件的參數(shù)，才能有效地提高電路工作的可靠性。

［1］ 曾天翔、丁連芬等譯.MIL－HDBK－338可靠性設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，1984，P159～P173.

［2］ MIL－HDBK －338B 1998 MILITARY HANDBOOK ELECTRONIC RELIABILITY DESIGN HANDBOOK［S］，DEPARTMENT OF DEFENSE UNITED STATES OF AMERICA P7－57～P7－62.

［3］ 趙蘊(yùn)珍等.GJB1461－92含可靠性指標(biāo)的電磁繼電器總規(guī)范［S］P35～P36.

［4］ 程守洙、江之永.普通物理學(xué)2［M］.北京:高等教育出版社，1982，P205 ～P206.