淺析用二極管抑制電磁繼電器線圈瞬態電壓的幾種電路

阮永剛，劉宇奇

(陜西群力電工有限責任公司，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過程中產生幅值極高、能量較大、脈寬較小的瞬態電壓，導致裝備的控制電路常常被損傷或損壞。我們在對用戶的技術服務過程中，對繼電器線圈的瞬態電壓抑制電路做了分析和調整，多次解決了用戶的相關技術問題。

瞬態電壓對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結的有效面積有關，有效面積越小，越易受損。目前，電子元器件越來越微型化、表貼化，智能芯片的貼裝密度也越來越高，瞬態電壓對電路中元器件的損傷和損壞日益顯現，使整體電路的性能和可靠性降低。

抑制瞬態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電壓。在電磁繼電器總規范和可靠性相關的美軍標、國軍標中均有不同程度的論述。在美軍標MIL－HDBK－338《可靠性設計手冊》第一卷 7.4.6"減少設計失誤的方法"一節明確提出了由于電路缺少續流二極管而受到較高的電壓應力，按失效前平均工作時間計，無續流二極管的電路為53萬小時，有續流二極管的幾乎達到100萬小時。目前，采用二極管抑制電磁繼電器瞬態電壓已成為電子工程師們的共識，甚至國內外電磁繼電器制造廠商為了順應市場的需求，在繼電器內部增加了瞬態電壓抑制二極管。由于瞬態擬制電路和采用的二極管不同，對瞬態電壓的抑制效果差異較大，對繼電器的工作影響有顯著不同。為此我們對采用二極管抑制電磁繼電器線圈瞬態電壓的電路進行分析和討論。

2 二極管抑制電磁繼電器線圈瞬態電壓的電路

2.1 瞬態電壓

繼電器線圈兩端的去激勵為階躍信號，去激勵由額定值直接減小到0。電磁繼電器輸入電路中經常采用晶體管(或場效應管)來驅動，晶體管工作在開關狀態，晶體管的動作時間最高可以達到ns級，在晶體管截止的瞬間，電磁繼電器線圈兩端會產生一個幅值極高的瞬態電壓，瞬態電壓大小的數學模型見下式:

式中，E——瞬態電壓;

L——線圈電感;

I——線圈中的穩態電流;

dt——關斷時間。

由于在電磁繼電器去激勵過程中，不僅施加在感性線圈上的電流會發生變化，而且因繼電器磁路中銜鐵的位置不同，線圈的電感量也會發生變化;盡管繼電器線圈的電感量L和線圈中的電流I均較小，但驅動繼電器的晶體管的截止時間dt更小，因而會產生幅值極高的瞬態電壓。該瞬態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，瞬態電壓不僅會造成線圈匝間絕緣損傷，而且會造成匝間短路，增大了線圈中的電流，在頻繁的工作過程中，形成惡性循環，直至繼電器線圈損壞;瞬態電壓施加給電路中的其它元器件，會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。

驅動繼電器的晶體管截止時間dt，主要取決于晶體管基極信號工作沿的陡峭程度。基極信號工作沿越陡峭，瞬態電壓幅值也會越高，這將會降低繼電器和晶體管等外圍電路的可靠性;晶體管基極的信號邊沿越平坦，造成晶體管工作在放大區的時間越長，大大降低繼電器動作的可靠性。因此，電磁繼電器的驅動采用陡峭的工作沿，并配備瞬態抑制電路的方式來實現。

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

2.2 瞬態電壓抑制電路中的二極管

瞬態電壓抑制電路中常用的二極管有開關二極管、穩壓二極管和瞬態電壓抑制二極管。它們均能有效地抑制電路中的瞬態電壓，為電路提供保護。這種保護是以減小產生的瞬態電壓為目的，二極管極高的響應速度正好滿足了這種需求。開關二極管抑制瞬態電壓具有單向工作和響應時間快的特性，響應時間一般為ns級。穩壓二極管和瞬態抑制二極管(TVS管)具有雙向工作特性，正向工作時同普通二極管相同，反向工作都可以用來抑制瞬態電壓。兩者在穩定電流和響應時間上有區別，穩壓二極管的穩定電流大些，響應時間慢一些。在穩壓二極管基礎上發展而來的TVS管的穩定電流小，響應時間極快，可在10－12S的級別上響應。

2.3 瞬態電壓的抑制電路及仿真

2.3.1 不加瞬態電壓抑制二極管的電路及仿真

圖1為晶體管驅動電磁繼電器不加瞬態電壓抑制二極管的電路。要求晶體管的基極施加方波信號，使晶體管工作在開關狀態。圖1中手動按鈕J1為機械式觸點，在接通和斷開瞬間過程中有抖動，產生的驅動晶體管的信號不是理想方波，為了獲得較為理想的方波信號，將手動按鈕產生的信號通過消抖和整形電路Circuit01(以下Circuit01電路功能相同)后提供給驅動繼電器的晶體管，滿足了繼電器的驅動要求。同時將該驅動信號送入示波器A通道，將晶體管集電極信號送入示波器通道B，將繼電器線圈等效成一只純電感和一只電阻串聯，仿真過程我們以JQX－20MC/028規格的繼電器為例，仿真過程只計電流的變化量，不計由銜鐵位置變化引起的電感量的變化。

圖1 不加瞬態電壓抑制二極管的晶體管驅動電磁繼電器電路

圖2 為虛擬示波器測試出的仿真結果。從圖中可以清楚地看到B通道的信號僅在A通道下降沿到來時刻才產生一個脈沖瞬態電壓，該瞬態電壓的幅度約為1500V(見圖2)。在 GJB1461－92《含可靠性指標的電磁繼電器總規范》4.7.10.2條直流電磁干擾一節，描述了瞬態電壓幅值約1200V。圖3為我們仿真的波形。掃描時間調為50μs/格時，測得瞬態電壓的全脈沖寬度約為39.2μs。電磁繼電器在階躍去激勵時刻線圈會產生一個幅值極大、脈沖寬度極小的脈沖式瞬態電壓。

圖2 虛擬示波器測試出的仿真結果

圖3 仿真的波形

2.3.2 采用開關二極管的瞬態抑制電路

圖4為電磁繼電器線圈瞬態電壓抑制的典型電路之一。圖中二極管D1也稱為續流二極管，該二極管為線圈斷電瞬間產生的瞬態電壓提供了泄放電流的回路，從而實現了對瞬態電壓的抑制。對強功率及中、弱功率電磁繼電器，線圈額定電壓為28Vd.c.時，瞬態電壓抑制采用開關二極管1N4148是常見的電路之一，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的正向導通壓降約為0.9V)的水平上。由于將瞬態電壓抑制的比較徹底，線圈中能量泄放需要較長的時間，造成繼電器的釋放時間、釋放回跳時間明顯增加，使該繼電器的觸點電壽命嚴重下降。

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

圖4 電磁繼電器線圈瞬態電壓抑制的典型電路

圖5 仿真結果

2.3.3 采用開關二極管與穩壓二極管配合抑制瞬態電壓的電路

對強功率及中、弱功率電磁繼電器，線圈額定電壓為28Vd.c.時，圖6為常見的瞬態電壓抑制電路之一。通過二極管D1、D2在晶體管關斷瞬間對晶體管集電極電壓Vc進行抑制，其中Vc=VZD2+VFD1+VCC(VZD2為穩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，它的正向導通電壓VFD1=0.9V，VC=38.9V。通過對瞬態電壓峰值的鉗制，降低了瞬態電壓的峰值，減小了電路的電壓應力，達到了保護電路的目的。該電路優點是對繼電器的釋放時間、釋放回跳時間影響較小，減小了對繼電器電壽命的影響;缺點是對瞬態電壓的抑制不徹底，線圈中的能量沒有得到徹底釋放。

圖6 常見的瞬態電壓抑制電路

圖7 仿真結果

從圖7的仿真結果可以看出，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。

當繼電器線圈參數和晶體管的關斷時間為定值時，經抑制后的瞬態電壓幅值與脈沖寬度之間的關系是瞬態電壓幅值越高，脈沖寬度越窄，對繼電器的釋放時間影響越小，但相關電路要承受的電壓應力也越高;瞬態電壓幅值越低，脈沖寬度越寬，相關電路要承受的電壓應力越小，但對繼電器的釋放影響越大。

2.3.4 采用TVS管抑制瞬態電壓的電路

TVS管抑制瞬態電壓可以接成與圖6相似的電路，電路應采用雙向的瞬態抑制二極管，其優點是瞬態抑制響應時間短，可以達到10－12S，TVS管可以集成在電磁繼電器內部，瞬態抑制電路對繼電器釋放時間的影響程度，可以在繼電器制造過程中得到控制。

圖8 TVS管抑制瞬態電壓

TVS管抑制瞬態電壓如圖8所示電路，TVS管D1采用單向的瞬態抑制二極管，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，可以實現對繼電器和外電路的保護。該電路的優點是對瞬態電壓的抑制響應速度極快，可以達到10－12S，可以靈活的通過改變 TVS管D1的規格來調整晶體管截止瞬間的集電極電壓Vc的大小，把瞬態電壓及其對繼電器的釋放時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部，可以集成在晶體管內。

2.4 試驗驗證

我們選擇JQX－20MC/028規格的繼電器6只進行了試驗驗證，用VC9807+型數字萬用表和DL－6243型電容電感測量儀分別對線圈的直流電阻和電感量進行了測量;用JDCS－Ⅲ型繼電器時間參數測量儀對繼電器的時間參數進行了測量，測量結果見表1。

表1 試驗驗證數據記錄表

3 結論

繼電器去激勵過程中產生的瞬態電壓大小與繼電器線圈的電感量、穩定電流、去激勵的快慢密切相關。瞬態電壓的脈沖寬度是由線圈中儲存能量的多少及釋放這些能量的電路決定。瞬態電壓的抑制是以減小已產生的瞬態電壓對外圍電路的影響為目的，可以從瞬態電壓的幅度、脈沖寬度、響應速率三個方面進行抑制。瞬態抑制電路集成在電磁繼電器內部，對繼電器釋放時間、回跳時間的影響，可以在繼電器制造過程中得到控制，繼電器制造商應在繼電器的相關資料中注明瞬態電壓的抑制水平，供用戶選用;瞬態抑制電路配置在繼電器外部，抑制電路較為靈活，可以靈活調整瞬態電壓抑制水平，但對繼電器釋放時間、回跳時間的影響不可控;瞬態電壓的抑制響應時間越快越好;瞬態電壓的抑制水平，不一定越低越好，應根據電路能承受的電壓應力來合理選擇瞬態抑制電路和其中元件的參數，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可靠性設計手冊［M］.北京:航空工業出版社，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］ 趙蘊珍等.GJB1461－92含可靠性指標的電磁繼電器總規范［S］P35～P36.

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