繼電器箱的電磁兼容性設(shè)計(jì)

摘要：本文論述了繼電器箱中的電磁兼容性問題，分析了干擾源及干擾的耦合路徑，并介紹了繼電器箱電磁兼容性設(shè)計(jì)的各種措施及其原理。

關(guān)鍵詞：繼電器箱;電磁兼容性;抑制

一、前言

隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電子產(chǎn)品的電子對(duì)抗與反對(duì) 抗、電子干擾與反干擾的重要性越來越受到各行業(yè)的重點(diǎn)關(guān) 注，電子設(shè)備的電磁兼容性問題越來越突出。繼電器箱作為航 空、航天、電子系統(tǒng)中常用的一類用于線路負(fù)載切換和信號(hào)傳 輸?shù)碾娮釉O(shè)備，主要由繼電器組成，也面臨電磁兼容性問題， 在設(shè)計(jì)任務(wù)書中通常會(huì)提出產(chǎn)品應(yīng)滿足 GJB151B-2013《軍用 設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》中的相關(guān)項(xiàng)目的 要求，因而在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)采取措施，確保產(chǎn)品能在各種復(fù)雜的 電磁環(huán)境中能夠正常工作并達(dá)到指標(biāo)要求。

二、電磁兼容技術(shù)

電磁兼容技術(shù)是在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中采取預(yù)防措施，使其 在實(shí)際的使用環(huán)境中能夠可靠的工作并且不對(duì)其他設(shè)備造成 不可接受的干擾所需要的技術(shù)。

電磁干擾是由無用信號(hào)或電磁騷擾對(duì)有用電磁信號(hào)的接 收或傳輸所造成的損害。電磁干擾的程度可以表示為如下關(guān)系 式：

其中：G為噪聲源強(qiáng)度;I為受干擾電路的敏感程度;C為 噪聲通過某種途徑傳導(dǎo)受干擾處的耦合因素。

由上式構(gòu)成了電磁干擾的三個(gè)要素：干擾源、耦合路徑和 敏感源。因此，電磁兼容性設(shè)計(jì)圍繞這三個(gè)要素進(jìn)行，通過研 究每個(gè)要素的特點(diǎn)，找出消除的方法，達(dá)到電磁兼容的目的。

電流電壓瞬變的地方（即 di/dt 或 du/dt）即為干擾源，如 繼電器開合、電容的充放電、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、集成電路開關(guān)工作等 均能成為干擾源。繼電器箱中的主要元器件是電磁繼電器，電 磁繼電器觸點(diǎn)在斷開較大電流回路時(shí)，將伴隨電弧放電現(xiàn)象， 由此引入寬頻帶（高達(dá) 1GHz）的電磁噪聲，該噪聲以輻射及 傳導(dǎo)的方式傳播;接觸時(shí)由于觸點(diǎn)的彈跳也能形成脈沖列式的 干擾。電磁繼電器線圈在加電或者斷電瞬間將產(chǎn)生較大的 di/dt，形成尖峰電壓，對(duì)外部線路形成電磁干擾。因此繼電器 是一個(gè)很強(qiáng)的電磁干擾源，各行業(yè)通常將系統(tǒng)中的電磁繼電器 集中起來做成繼電器箱的原因之一就是便于集中進(jìn)行電磁兼 容控制。

三、繼電器箱的電磁兼容性設(shè)計(jì)

電磁干擾分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，就繼電器箱而言，傳 導(dǎo)干擾的抑制一般從電路上進(jìn)行設(shè)計(jì)，輻射干擾一般從結(jié)構(gòu)上 進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（一）電路的電磁兼容性設(shè)計(jì)

抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)最優(yōu)先和最重要的原則是抑制干擾源，盡可 能的減小 di/dt 或 du/dt。

3.1.1 繼電器觸點(diǎn)瞬變干擾的抑制

繼電器觸點(diǎn)斷開時(shí)發(fā)生的電弧放電和接觸時(shí)觸點(diǎn)彈跳所 形成的脈沖會(huì)通過觸點(diǎn)引線、雜散電磁耦合、雜散磁場(chǎng)耦合等 多種效應(yīng)傳導(dǎo)到系統(tǒng)電源、負(fù)載回路及其他元器件或電路中， 形成電磁傳導(dǎo)干擾。

為防止繼電器觸點(diǎn)產(chǎn)生的放電，可在觸點(diǎn)兩端增加并聯(lián)保 護(hù)網(wǎng)絡(luò)，一般最常見的是 RC 保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可延長(zhǎng)接點(diǎn)的 耐久性，能夠防止噪聲干擾及減小電弧引起的接點(diǎn)燒毀。

圖 2 為繼電器開關(guān)觸點(diǎn)干擾抑制的典型電路，將 RC 串聯(lián) 起來并聯(lián)在觸點(diǎn)兩端。當(dāng)觸點(diǎn)斷開時(shí)，感性負(fù)載中存儲(chǔ)的能量 通過 RC 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行放電，避免了通過觸點(diǎn)間的放電。需要注意 的是，并聯(lián) RC 網(wǎng)絡(luò)并不能減小感性負(fù)載在觸點(diǎn)斷開時(shí)所產(chǎn)生 的瞬時(shí)高壓，必須考慮電容 C 的耐壓值，一般情況下其值應(yīng)不 小于瞬時(shí)高壓的 1.5 倍較為安全。由于觸點(diǎn)閉合時(shí)，RC 網(wǎng)絡(luò) 與繼電器觸點(diǎn)形成回路，此時(shí)電容器在斷開時(shí)積攢的能量通過 電阻進(jìn)行放電，電阻的瞬時(shí)功耗也不能忽視，盡量選取具有一 定耐電流沖擊能力的電阻。

圖 3 為改進(jìn)型的抑制電路，即在 RC 網(wǎng)絡(luò)中的 R 上并聯(lián)一 個(gè)二極管 V。當(dāng)繼電器觸點(diǎn)斷開時(shí)，感性負(fù)載中積蓄的能量從 R、C、V 組成的電路釋放，此時(shí)由于二極管正向?qū)?，能?很快便放完;而當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，充滿電的電容 C 上的能量通過 電阻和繼電器觸點(diǎn)放電，此時(shí)由于二極管截止，釋放電流僅從 電阻流過，只需 R 足夠大，便不會(huì)燒壞繼電器觸點(diǎn)。

另外，還可以采用在繼電器觸點(diǎn)兩端并聯(lián)穩(wěn)壓二極管的形 式，如圖 4。當(dāng)繼電器觸點(diǎn)斷開時(shí)，由于穩(wěn)壓二極管的特性， 使得觸點(diǎn)兩端的電壓不會(huì)大于電壓的 2 倍，從而抑制了瞬變電 壓和火花。這種電路只需一個(gè)元器件即可實(shí)現(xiàn)，電路簡(jiǎn)單，且 效果不錯(cuò)。

感性負(fù)載較阻性負(fù)載更容易產(chǎn)生火花放電和弧光放電，選 取適當(dāng)?shù)囊种齐娐房蛇_(dá)到純阻性負(fù)載相同的效果。

3.1.2 繼電器線圈瞬變干擾的抑制

繼電器線圈作為感性負(fù)載，在斷電瞬間會(huì)產(chǎn)生高達(dá)幾百伏 的瞬變電壓，容易損壞外圍相關(guān)器件;另外由于其含有豐富的 諧波，若線圈外圍無抑制回路，線圈中積攢的能量通過線路間 的分布電容、絕緣電阻影響控制系統(tǒng)，導(dǎo)致控制系統(tǒng)誤動(dòng)作。 由于斷開時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓能量大、頻譜寬，不能僅僅采用濾 波或隔離措施，需要采取措施抑制瞬變干擾。

抑制瞬變干擾的常用電路如圖 5，使用中不能將電壓加反 以免燒壞二極管，二極管的正向電流指標(biāo)一般取繼電器線圈激 勵(lì)電流的 2 倍以上。該電路能量損耗小，瞬變電壓低，但延長(zhǎng) 了的放電時(shí)間，容易導(dǎo)致線圈延時(shí)釋放，降低動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

為改善圖 5 的缺陷，可以采用圖 6 的電路，增加串聯(lián)電阻， 電阻阻值一般取繼電器線圈電阻的 0.1～0.5 倍， 加快能量釋放， 還可避免二極管短路所造成的電路功能喪失。

另外還可以采用圖 7 的方式，并聯(lián)雙向穩(wěn)壓管可不必考慮 電源極性且延遲時(shí)間短，穩(wěn)壓二極管耐壓指標(biāo)一般應(yīng)不低于電 源電壓的 1.5 倍。

其他諸如雙繞組線圈、在線圈兩端僅并聯(lián)電阻、在線圈兩 端并聯(lián)電阻-電容串聯(lián)電路等形式一般不推薦使用，原因包括： 并聯(lián)繞組線圈起延時(shí)作用，使觸點(diǎn)釋放時(shí)間的延長(zhǎng)太長(zhǎng)，觸點(diǎn) 斷開時(shí)的回跳時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)觸點(diǎn)壽命影響過大，工藝復(fù)雜，空間 大;僅并聯(lián)電阻使觸點(diǎn)釋放時(shí)間延長(zhǎng)，引起觸點(diǎn)電弧，對(duì)觸點(diǎn) 壽命影響大;電阻-電容串聯(lián)使觸點(diǎn)釋放時(shí)間延長(zhǎng)，所需電容 器的體積較大，占用空間。

（二）結(jié)構(gòu)的電磁兼容性設(shè)計(jì)

輻射干擾為通過空間傳播的干擾，對(duì)于繼電器箱所產(chǎn)生的 輻射干擾的抑制在結(jié)構(gòu)上一般采用屏蔽的處理方式。屏蔽是用 導(dǎo)電性好的材料將干擾源封閉起來，使得干擾無法外泄;也可 以把敏感設(shè)備封閉起來使得干擾無法進(jìn)入。電磁波在穿過屏蔽 箱體時(shí)產(chǎn)生的損耗分為兩部分，一部分是電磁波在屏蔽材料上 反射導(dǎo)致的反射損耗，另一部分是電磁波在屏蔽材料內(nèi)傳播時(shí) 發(fā)生的吸收損耗。

在繼電器箱設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于直接固定在殼體上的繼電器的安 裝，一般將殼體底面銑成一個(gè)個(gè)用于安裝繼電器的凹槽，如圖8 所示。如此安裝繼電器后，繼電器產(chǎn)生的輻射干擾經(jīng)多次反 射、多次吸收可以將外泄的輻射干擾降到最低。

屏蔽箱體的屏蔽效能在很大程度上依賴于箱體結(jié)構(gòu)上的 導(dǎo)電連續(xù)性。箱體上的接縫、開口等都是電磁波的泄漏源。箱 體上開口的電磁泄露與開口的尺寸、輻射源的特性及輻射源到 開口的距離等因素有關(guān)。通過適當(dāng)?shù)拈_口尺寸和輻射源到開口 的距離能夠滿足屏蔽的要求，必要時(shí)可以用截止波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)既 有開口又能阻擋電磁波。

對(duì)于縫隙的電磁屏蔽一般采用填充導(dǎo)電密封墊的方法，如 圖 9 所示。

常用的填充材料有：導(dǎo)電布、指形簧片、金屬絲網(wǎng)、導(dǎo)電 橡膠等。選用導(dǎo)電密封墊主要考慮：

（1）導(dǎo)電性：密封墊的導(dǎo)電性能越好、電磁屏蔽效果越 好;

（2）回彈力：根據(jù)襯墊的回彈力和面板的剛度合理的設(shè) 計(jì)緊固螺釘?shù)拈g距;

（3）最小密封壓力：襯墊需有足夠的形變量（30%～40%） 才能達(dá)到預(yù)期的屏蔽效果;

（4）壓縮永久形變：壓縮永久形變量大的材料容易失去 彈性，影響密封效果;

（5）襯墊的厚度：應(yīng)保證在最大縫隙處襯墊表面能受到 最小的密封壓力;

（6）電化學(xué)相容性：襯墊材料與屏蔽基體材料在電化學(xué) 上應(yīng)相容，避免發(fā)生接觸腐蝕降低屏蔽效能。

結(jié)束語

在繼電器箱的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，感性負(fù)載的存在是不可避免 的，繼電器線圈和觸點(diǎn)所產(chǎn)生的電磁干擾也會(huì)影響到相關(guān)設(shè)備 和系統(tǒng)的正常工作，通過綜合分析電磁兼容效應(yīng)，運(yùn)用合適的 抑制措施對(duì)電磁干擾進(jìn)行抑制，在考慮性能滿足要求的同時(shí)考 慮實(shí)際的成本，對(duì)性價(jià)比進(jìn)行評(píng)估，才能達(dá)到理想的效果。

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作者簡(jiǎn)介：

高曉軒（1984—） ，男，漢族，籍貫：廣西梧州市，本科， 工程師，主要從事小型電子設(shè)備設(shè)計(jì)工作。