馬文寧

小功率直流電磁繼電器反向尖峰電壓保護電路分析

馬文寧

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

結合對直流繼電器故障的分析，對幾種繼電器反向峰值電壓保護措施進行了對比，結合設備自身工作的特點找到了最優(yōu)的保護措施，并通過搭建電路進行了實驗驗證，為后續(xù)設備升級提供了一個參考方向。

直流電磁繼電器；反向峰值電壓保護；續(xù)流二極管；穩(wěn)壓二極管；TVS鉗位管

0 引言

某型設備的控制電路中使用了一種在印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）上安裝的微型直流電磁繼電器（型號為2JT2-3/II12G，基本參數(shù)為2組觸點、線圈繞組300 Ω、線圈電壓直流12 V、觸點負載直流28 V/2 A）用來控制系統(tǒng)兩種工作狀態(tài)之間的切換。在售后維修過程中經(jīng)常有繼電器故障，不能進行狀態(tài)轉換。通過故障分析發(fā)現(xiàn)這些故障繼電器的觸點有燒蝕并發(fā)生粘連的痕跡，用40倍放大鏡觀察如圖1所示。這是繼電器線圈（感性負載）斷開時產(chǎn)生的反向尖峰電壓引起的。為了保證設備長時間使用的可靠性，本文對繼電器的反向電壓保護電路進行分析，結合試驗測試給出改進措施。

圖1 有燒蝕痕跡的繼電器觸點

1 電路原理分析

繼電器控制電路原理圖如圖2所示。狀態(tài)控制信號通過光電耦合器送至開關三極管的級，當控制信號為高電平IN時1打開，+15 V直流電壓通過1分壓后加到繼電器繞組上，繞組中有電流通過，常開觸點吸合，+28 V直流電壓通過觸點施加到負載2上，此時系統(tǒng)檢測為高電平狀態(tài)。當控制信號切換為低電平IN時，繼電器繞組中無電流通過，常開觸點斷開，此時系統(tǒng)檢測為低電平狀態(tài)，完成系統(tǒng)狀態(tài)的轉換。

圖2 繼電器控制原理圖

2 繼電器工作情況分析

2.1 電感線圈產(chǎn)生的感應電動勢分析

根據(jù)楞次定律感應電動勢總是阻礙電流的變化。當電路通電時，如圖3所示。流經(jīng)電感線圈的電流增大，根據(jù)楞次定律產(chǎn)生的感應電動勢要阻礙電流的增加，電感電動勢產(chǎn)生的電流和相反（從到），所以感應電壓為正負。同理當電路斷電時，電流減小，感應電流從到，感應電壓為正負[1]。

圖3 電感線圈通電示意圖

2.2 控制電路中不加保護二極管的分析

圖2中的繼電器控制電路為典型的拍合式模式。電路斷電后繼電器繞組中的磁通量開始下降，當磁力下降至小于彈簧力時銜鐵開始斷開。彈簧力隨著銜鐵位置的降低而減小，磁力同樣會隨著銜鐵位置的降低和繞組中電流的衰減而減小。當繞組內(nèi)的電流中斷后，線圈產(chǎn)生的感應電壓非常高[2]。該電壓與+15 V直流疊加后將會遠遠超過1的反向擊穿電壓CE。通過搭建電路實測，該電壓峰值超過300 V，如圖4所示。

圖4 電感線圈反向尖峰電壓實測圖

2.3 增加保護二極管分析

在設計繼電器驅(qū)動電路時，會使用多種反向尖峰電壓抑制技術對電子開關進行保護，使其免受瞬態(tài)尖峰電壓的影響。一般是在繼電器繞組兩端并聯(lián)普通二極管對線圈進行感應電壓分流，減輕線圈電流突然中斷導致的磁通量崩潰，防止電源電壓與感應電壓疊加，擊穿電子開關。

本電路設計是在繼電器繞組兩端反向并聯(lián)了一個開關二極管1N914，這樣可以為流經(jīng)線圈的電流提供一個通路，使線圈感應電壓幅度限制在二極管的正向壓降上（0.7 V左右），從而使線圈電流及磁通緩慢衰減。通過搭建電路實測，增加1N914保護二極管后該電壓峰值與電源電壓基本相同，如圖5所示。

圖5 增加保護二極管后反向尖峰電壓實測圖

2.4 二極管保護電路的不足之處

在繼電器繞組兩端并聯(lián)保護二級管可以為電子開關提供較好的保護，但這樣會對繼電器觸點產(chǎn)生不利的影響。根據(jù)圖6所示受力分析，迫使銜鐵斷開的合力是磁力與彈簧力之差[3]。

圖6 磁鐵和彈簧共同作用的受力分析

在繼電器繞組并聯(lián)二極管保護時，反向峰值電壓會限制在一定的范圍內(nèi)，但線圈中電流不是迅速衰減，而是有一個相對衰減的緩慢過程，如圖7所示。

圖7 增加保護二極管后繞組電流衰減曲線

由于電流有一個衰減過程，所以磁通量和磁力也會緩慢衰減。而由常開觸點彈簧力提供的斷開力會快速減小，這樣就會使合力在一段時間內(nèi)出現(xiàn)反轉，使得斷開的觸點出現(xiàn)彈跳吸合的現(xiàn)象。當觸點發(fā)生彈跳時，會將大電流負載（2 A電流）連接到+28 V直流電源上，這將會使觸點之間出現(xiàn)微小的融融界面，繼而引起微焊接或者粘連狀態(tài)，造成繼電器不能正常進行狀態(tài)的轉換，與故障現(xiàn)象中的情況是一致的。

3 繼電器保護電路改進

3.1 二極管加穩(wěn)壓管保護電路的分析

通過上述分析可知，不僅要將繼電器繞組產(chǎn)生的反向峰值電壓限制在開關管可承受的范圍內(nèi)，同時也要考慮線圈中電流的衰減速度。因此將二極管串聯(lián)一個穩(wěn)壓管并聯(lián)到繼電器繞組上，可以獲得一個較好的電流減率。當線圈電源中斷時，線圈上的電流通過這個旁路續(xù)流，迅速將能量耗盡[4]。

通過選擇合適的穩(wěn)壓值，將線圈感應電壓限制在合適的范圍之內(nèi)。這樣既保護了開關1也保護了繼電器觸點，避免出現(xiàn)觸點焊接的現(xiàn)象。使用一只齊納二極管1N4731（穩(wěn)壓值為5 V）和二極管1N914搭建電路進行測試，驅(qū)動信號為10 V/5 Hz的方波信號。通過測試，線圈的反向峰值電壓被限制在電源電壓+5 V的范圍內(nèi)，同時線圈內(nèi)的電流也會迅速衰減，測試如圖8所示?？梢钥闯鲵?qū)動信號跳變?yōu)榈碗娖綍r，線圈中反向峰值電壓為20 V。驅(qū)動信號與狀態(tài)指示電壓之間幾乎沒有時間延遲，線圈繞組的電流衰減也很快。

3.2 TVS管保護電路的分析

反向峰值抑制器（Transient Voltage Suppressor，TVS）管是一種鉗位型器件，在受到瞬態(tài)高能量沖擊時它能以極高的速度（ns級）將兩極的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收電壓尖峰脈沖，同時也能使兩極之間的電壓保持在一個特定的值，避免擊穿開關管[5]。

選用一只雙向TVS器件SA18CA并聯(lián)在繼電器繞組的兩端，測試驅(qū)動波形同樣為10 V/5 Hz的方波信號，測試波形如圖9所示。

通過測試可以看出，繼電器線圈產(chǎn)生的反向峰值電壓被限制在電源電壓+18 V左右，同時線圈中的電流也以極快的速度進行衰減，達到了目的。

4 結語

通過以上的分析可以得出結論：

1）繼電器繞組在斷開時會產(chǎn)生很高的感應電壓，對電子開關造成嚴重干擾，必須加以保護；

2）目前的設計中使用的反向并聯(lián)二極管措施可以限制反向峰值電壓，對電子開關進行保護，但是對繼電器的觸點是不利的，易出現(xiàn)觸點熔焊導致繼電器不能狀態(tài)轉換。查詢故障維修記錄，發(fā)現(xiàn)電子開關從未損壞過，而繼電器經(jīng)常出現(xiàn)狀態(tài)不能轉換的現(xiàn)象，這與分析的結論一致；

3）通過實驗測試發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)壓管和TVS管均可以對電子開關和繼電器觸點進行有效的保護，從成本考慮，建議改用雙向TVS管對電子開關和繼電器觸點進行保護；

4）繼電器觸點在分斷過程中易出現(xiàn)熔焊現(xiàn)象，這是由于分斷過程中存在彈跳電弧。本設計中的負載接通時能量較大（28 V/2 A左右），因此考慮減少繼電器的狀態(tài)轉換過程。通過詢問客戶發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)使用時會長時間處于高電平狀態(tài)，較少使用低電平狀態(tài)。因此建議改用繼電器常閉觸點接高電平狀態(tài)，這樣系統(tǒng)開機后直接進入高電平狀態(tài)，減少了系統(tǒng)狀態(tài)的切換，從而減少了繼電器故障的可能性。

本文對多種直流繼電器的反向峰值電壓保護措施進行了分析，結合設備自身的特點找到了最優(yōu)的保護措施，并通過搭建電路進行了實驗分析，為后續(xù)設備升級提供了一個參考方向。

[1] 龍先江. 直流電磁繼電器反向電壓抑制方法淺析[J]. 煤礦機電，2018（6）.

[2] 陳君. 直流繼電器線圈控制電路對其性能參數(shù)的影響[J]. 電器與能效管理技術，2019（3）.

[3] 張開淋，劉向軍. 高壓直流繼電器彈簧系統(tǒng)仿真與分析[J]. 電器與效能管理技術，2018（2）.

[4] 阮永剛，劉宇奇. 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[J]. 機電元件，2015（4）.

[5] 白樹林，許波. TVS及其在電路設計中的應用[J]. 新特器件應用，2009（11）.

Analysis of Reverse Peak Voltage Protection Circuit For Low DC Electromagnetic Relay

MA Wenning

Combined with the analysis of DC relay failure, several relay reverse peak voltage protection measures were compared with the characteristics of the equipment’s own work to find the appropriate protection measures, and through the construction of the circuit for experimental verification, it provides a reference direction for subsequent device upgrades.

DC Electromagnetic Relay; Reverse Peak Voltage Protection; Freewheel Diode; Voltage Stabilizing Diode; TVS Tube

TM581.4

A

1674-7976-(2022)-05-387-04

2022-04-11。馬文寧（1988.02—），陜西西安人，工程師，主要研究方向為電子電路設計。