長壽命大功率混合繼電器研究

(貴州航天電器股份有限公司研發一部，貴州 貴陽，550009)

1 引言

眾所周知，電磁繼電器在觸點接通或斷開瞬間會產生嚴重的飛弧現象，特別是在高壓、大電流的通斷過程中，飛弧現象尤為嚴重。該現象對電磁繼電器的觸點造成很大的影響,也就是所謂的電磨損。通常來說，電磁繼電器的電氣壽命往往只有幾萬次到幾十萬次，但其機械壽命往往高達幾百萬次，甚至上千萬次。這主要是由于其電磨損比機械磨損嚴重的多，從而造成電磁繼電器的電氣壽命遠遠低于其機械壽命。因此，如果能夠解決電磁繼電器觸點接通或斷開瞬間產生的飛弧問題，將可以極大地提升繼電器的使用壽命和可靠性。

隨著電子電力器件的發展，出現了半導體固態繼電器。固態繼電器盡管具有無觸點結構，可以實現開關無電弧，但其漏電流大、接觸壓降高、體積大、過載能力差、價格高，所以應用范圍受到限制。

本課題主要結合大功率電磁繼電器和固態繼電器長壽命的優點，提供一種長壽命大功率混合繼電器的研制方法。

2 長壽命大功率混合繼電器實現

2.1 實現總體方案

實現的總體原理圖見圖1所示。首先電磁繼電器的觸點與開關電路并聯，當給電磁繼電器通電時，采樣電路采集到通電信號，傳遞給控制電路，通過驅動電路讓開關電路比電磁繼電器提前接通；當給電磁繼電器斷電時，采樣電路采集到斷電信號，傳遞給控制電路，通過驅動電路讓開關電路比電磁繼電器延后斷開。隔離電路的目的是實現開關電路與電源輸入的隔離。這樣起到了電磁繼電器的無弧轉換，達到了電磁繼電器長壽命工作的能力。

圖1 原理框圖

從圖1中可看出電路部分主要由三部分組成：采樣控制電路、隔離電路、驅動電路。下面對每部分沒別進行闡述。

2.2 采樣控制電路

該采樣控制部分主要由復位電路、單片機、振蕩電路、采樣電路組成。首先，當給電磁繼電器線圈加電時，用2個電阻R9、R10分壓作為采樣電壓進行檢測，檢測為高電平時，控制電路為單片機電路，單片機認為產品已經加電工作，控制后面的驅動電路先于電磁繼電器接通。電磁繼電器的吸合時間在毫秒級，而開關電路的接通時間一般為幾十納秒，從判斷到加電信號到開關電路的吸合時間不會超過200us,一般在50 us左右。具體電路圖如圖2所示。當給電磁繼電器線圈斷電時，單片機通過采樣電壓判斷為低電平，認為產品已經斷電，控制后面的驅動電路后于電磁繼電器斷開。電路中有電阻R11、電容C5的延時電路，目的是當產品斷電時電容還能提供維持單片機工作的電能。

2.3 隔離電路

本部分主要由電源模塊U1、U2、光耦U4組成。具體電路圖如圖2所示。開關電路為場效應管，本電路主要起到場效應管與輸入電路物理隔離的作用，電源模塊、光耦輸出、場效應管共模擬地，與輸入地線隔離。

2.4 驅動電路

本部分由光耦、電阻、電容組成。主要起到驅動場效應管接通和斷開的目的。電路中有電阻R1～R4、電容C1～C4的延時電路，主要是當產品斷電時電容能提供保持場效應管持續接通幾十毫秒，確保在電磁繼電器斷開后再斷開。產品原理的整體電路圖見圖2所示。

圖1 整體電路圖

3 軟件設計

3.1 軟件工作原理

長壽命大功率混合繼電器的軟件設計主要是上電接通場效應管幾十毫秒，斷電接通場效應管幾十毫秒，接通時間主要根據選用的電磁繼電器吸合和釋放的時間確定。具體流程如圖3所示。

圖3 軟件工作流程

3.2 軟件環境

只需要匯編的開發環境。

4 結論

通過電路實現電磁繼電器的無弧轉換可大幅度提高電磁繼電器的電氣壽命，從而使制造長壽命大功率混合繼電器成為可能，本電路原理已經經過驗證，要轉化為產品還需重點考慮封裝在密封空間的電磁繼電器的發熱、產品內部溫升、以及電子元器件的散熱問題。