51c嵌入式~繼電器~合集1

我自己的原文哦~? ? ?https://blog.51cto.com/whaosoft/13775821

一、繼電器應用細節

???繼電器的應用，相信大家都知道，在電路中只要給它供電、斷電也就可以工作了。本文討論它的應用細節。

現在流行的接法

?圖中，繼電器的線圈經過Q1作為開關，使其導通與斷開。D1作為續流，消耗線圈中的能量。

繼電器的特點

吸合電流大于釋放電流

保持電流小于吸合電流、大于釋放電流

????以上兩點均為繼電器的“通病”，大家可以做一下實驗，或看一看說明書。

流行電路的優點及缺點

????大家知道，繼電器的線圈相當于電感，它的電流不能突變。在釋放時，Q1截止瞬間，線圈將仍保持原來的電流大小，如果不接入D1這個二極管，產生的電壓-----理論上是無窮大的(在外電路負載為無窮大時)，流行電路中的D1的接入，給線圈中的能量提供了釋放的通道。

????然而，假如(理論上)二極管為理想的，即它只單向導通而沒有任何功率消耗，那么，在繼電器釋放時，線圈中的電流將一直保持吸合時的最大電流(同時假如線圈為理想的)，這種情況將使繼電器無法釋放。

????實際中的二極管及線圈都不是理想的，所以，它是可以釋放的。繼電器的吸合到釋放是由線圈中的電流決定的，如果二極管及線圈的等效電阻(直流)很小，那么它的釋放時間將很長，反之，則較短。

????由此看，流行電路的優點是提供了Q1截止時的能量釋放通道;其缺點是，釋放時間還有進一步縮短的可能。

其它接法

????曾見過象下圖中電路，也曾見過象下圖中沒有二極管的接法，這些接法都考慮到了抑制開關Q1截止時的反向電壓，但沒有考慮到釋放時間問題。

建議接法

加入電阻R1，使能量釋放快一些。

?上圖中，線圈在Q1關斷時，能量主要消耗在R1上，使繼電器可以快速降到釋放電流。

??? R1的選擇，由Q1的最高反壓、線圈工作電流兩者決定，電阻越大，釋放時間越短。

減小繼電器保持時的功耗

????大家知道，繼電器吸合時需要較大的電流，而保持吸合狀態則不需要和吸合時的電流一樣。

????下圖接入R1及C1將明顯減小繼電器的保持功耗。在繼電器吸合前，C1已充電至供電電壓，吸合的瞬間將由C1為繼電器供電，以保障吸合所需的大電流。當吸合后，供給線圈的電流來自R1，它將電流限制到較小狀態。

二、繼電器介紹

1. 什么是繼電器？

我們以在工業應用中經常使用的插入式“繼電器”為例。即繼電器被“插入”在兩個系統之間。

工作原理：

本文討論的是繼電器工作速度。下圖所示的硬件用于說明原理。

圖?1?:圖片顯示夾在 Millenium Slim PLC 和三相接觸器之間的插入繼電器

從左到右，我們看到一個 0.5A?斷路器，端子塊連接器，Crouzet?的可編程邏輯（PLC）底座安裝，控制繼電器，浪涌抑制二極管加插座，和一個24VDC 的接觸器（DPE09BL）。

技術小貼士?:關閉大型直流接觸器或繼電器可能是一個有壓力的事。回想一下，線圈在磁場中儲存能量。還記得電感器“想”保持電流恒定。其結果被稱為感應踢腳（inductive kick ），在線圈斷電的那一刻，電感器會做任何必要的事情來保持電流恒定。如果沒有相關的保護，電壓將上升到數百伏，造成電弧來維持電流。這將破壞任何用于控制線圈的半導體開關。浪涌抑制二極管通常被合并，以提供電流的替代路徑。

下面，我們來看看打開關閉繼電器開關，具體要多少時間？

2.?繼電器測試電路?

首先，我們來搭建一個繼電器打開關閉時間的測試電路。

硬件部分：

一個工業繼電器46.52加插座
一個?Arduino Nano Every?來切換驅動
一個?Digilent?示波器?ANALOG DISCOVERY
探頭 BNC 適配器
10x 探頭，允許測量高達 +/- 250 VDC的模擬電壓

圖2: 繼電器打開關閉時間的測試電路

3.?繼電器關閉時間測試

3.1?繼電器關閉測試原理解析：

這個繼電器驅動器看起來可能設計得有點復雜，但實際上高邊驅動器Q2是必要的，它能把繼電器接地。這樣，我們就可以安裝一個小值的分流電阻R5。因為這個電阻在接地位置，所以我們可以很容易地測量繼電器電流，就像測量一個已知電阻上的小電壓降一樣。

電路的其他部分包括電平轉換晶體管Q1，以及通過常閉（常閉）和常開（N.O.）指示LED來檢測繼電器狀態的方式。

別忘了繼電器線圈上的D1反饋二極管。當繼電器關閉時，這個二極管可以保護晶體管Q2。這個二極管對繼電器打開沒有影響，但對繼電器關閉有重要作用。

圖3：繼電器關閉測試原理圖

技術小貼士：繼電器常開 (N.O.) 與常閉 (N.C.) 觸點的區別

如下圖所示。左側為常閉 (N.C.)型，右側為常開 (N.O.).型。觀察兩種配置單線連接的區別。我們看到電線從N.C.(引腳12)移動到N.O.(引腳14)。

圖4. 常開、常閉繼電器實驗示意圖

圖5.??Finder(46系列)繼電器

3.2?測試結果：

結果如下圖所示。有三個面板：

上面板：橙色曲線（CH 1）是Q2集電極處測得的繼電器激活電壓。藍色曲線（CH 2）是R5分流電阻處測得的繼電器電流。
中面板：藍色曲線（CH 2）是繼電器常閉觸點處測得的電壓。
下面板：藍色曲線（CH 2）是繼電器常開觸點處測得的電壓。

技術提示：Analog Discovery 3 作為雙通道示波器運行。當配備 10 X探頭時，它能夠測量高達 +/- 250VDC 的信號。如果使用 4 通道示波器，則下圖的復合圖可以構建為單個屏幕截圖。

圖6. 繼電器的激活波形，包括線圈的電流，常閉和常開觸點電壓

根據上圖數據，我們觀察到：

電樞運動首次觀察到在 4.7ms 時，常閉觸點切換。
從4.7ms 到 7.6ms 有 2.9ms 的飛行時間。在這個“飛行時間”中，常閉和常開觸點都沒有連接到電路。
與常開觸點的第一次接觸發生在 7.6ms。
從7.6ms 開始一直延伸到8.8 ms，觸點反彈 1.2ms 。

除了這些觸點的變化，繼電器電流中有一個微妙的下降。這發生在電樞運動時。推測，繼電器電感變化，因為電樞的鐵板與線圈的金屬芯有物理接觸。線圈電感的突然變化擾亂了繼電器電流的緩慢斜坡。注意，如果電樞對著線圈保持在位置上，這種擾動就不會發生。

4. 繼電器打開測試

4.1?繼電器打開測試原理解析：

和繼電器開閉測試原理圖稍微有一點不一樣。對高側驅動程序和R4 的位置有輕微的修改。將原來的 MPSA56 換成了電壓更高的 2N5401 。這是必要的，因為當繼電器停用時，我們將遇到更高的電壓。R4 電阻移動，使其與反激二極管 D1 串聯。

圖7. 繼電器打開測試原理圖

技術小貼士?:你可能會反對在這種高壓情況下使用 1N4001 二極管。畢竟繼電器 K1 的感應反打會發展到近 100V。然而，在這種情況下，1N4001 二極管并沒有受到壓力，因為當繼電器斷電時，它會傳導約 0.7VDC 的二極管降。在正向方向上，它將遇到一個 24VDC 。預期的電壓和電流都在 1N4001 二極管的設計最大值之內。

感應回擊（Inductive Kick）和反激二極管

電感中的磁場會儲存能量。當我們關閉晶體管Q2時，磁場會崩潰，從而在K1線圈上產生電壓尖峰。如果我們把繼電器（或更準確地說，是繼電器內部的電感）想象成一個人，我們可以說電感在晶體管Q2關閉前后都試圖保持電流恒定。

電感與“恒定電流”作用相關的特性會產生電壓。如果不加以控制，這個電壓會上升到幾百伏甚至上千伏，以維持電流。過高的電壓會破壞晶體管Q2，除非它被鉗制住。

請注意，我們正在使用高邊驅動器（Q2）來控制繼電器。請花點時間觀察這個電壓尖峰的極性。許多讀者可能會基于之前用低邊NPN晶體管驅動的繼電器實驗，而假設這個尖峰是正的。但在這個例子中并非如此。相反，當Q2關閉時，在Q2集電極測得的電壓會立即從24伏直流電壓變為負電壓。這個尖峰的幅度只受到電阻R4和二極管D4正向傳導的限制。請參考上面電路圖，確保你明白當Q2集電極變為負電時，二極管D4是正向偏置的。

R4短路時的結果

大多數系統都不會額外添加電阻R4，而是直接將續流二極管跨接在繼電器線圈上。這種配置非常常見，比如這次實驗用的工業繼電器，就包含一個可選的二極管模塊4，如下圖所示。

圖8. 實驗中所用Finder繼電器的續流二極管和LED指示模塊

這個并聯二極管使用起來既有效又簡單。但遺憾的是，它會導致繼電器打開速度變慢。這是因為繼電器的打開速度與其電感時間常數有關，而電感時間常數由下面的公式決定：

其中，L是繼電器線圈的電感，R是繼電器內部電阻。與原始驅動電壓（本例為24伏直流電壓）相比，二極管實際上相當于短路。

回想一下你在學校學到的電容放電電路，當時遇到的初始充電問題，能量就是通過電阻耗散的。這里的情況與之類似。能量儲存在電感器的磁場中，當與電源斷開時，端子就會短路，所有能量都在電感器內部電阻和少量二極管中消耗掉。

結果如下圖所示，包含三個面板：

上面板：橙色軌跡（CH 1）是Q2集電極測得的繼電器激活電壓。藍色軌跡（CH 2）是跨接在R5分流電阻上測得的繼電器電流。
中面板：藍色軌跡（CH 2）是繼電器常閉觸點測得的電壓。這個常閉觸點正在由斷開狀態轉為關閉狀態。
下面板：藍色軌跡（CH 2）是繼電器常開觸點測得的電壓。

圖9.?繼電器的斷電波形，包括線圈電流、常閉和常開觸點

根據上圖的數據，我們觀察到：

當常開觸點切換時，首先在8毫秒觀察到銜鐵運動。
從8毫秒到9.5毫秒是1.5毫秒的“飛行時間”。在這段時間里，無論是常開觸點還是常閉觸點都沒有與電路連接。
在9.5毫秒時，首先與常閉觸點接觸。
從9.5毫秒開始，觸點彈跳持續4.5毫秒，直到14毫秒。

前面文章中提到的電流中的擺動仍然存在。這種飛行時間內的變化是由于銜鐵的金屬板離開電感器的中央鐵芯時電感發生變化造成的。??

與前面的文章相比，帶有并聯續流二極管的繼電器打開速度較慢。在這個L/R系統中，繼電器從激活到最終彈跳需要8.8毫秒，我們定義這個時間為t0。它關閉需要14毫秒。

5. 經驗教訓

我們是不是走進了死胡同？

工程師們的集體智慧告訴我們，繼電器更快地斷電是一個值得追求的目標。工作原理是線圈能量耗散會導致觸點更快移動。這應該能延長繼電器的使用壽命，因為更快移動的觸點能更好地熄滅負載下觸點打開時自然形成的電弧。

不幸的是，這個有限的實驗并不支持這個理論。相反，它表明繼電器的飛行時間與L/nR時間常數關系不大。回想一下，我們定義飛行時間為雙極觸點的時間，即銜鐵在運動但沒有與常閉或常開觸點連接的時間。

這種矛盾的想法也得到了接觸彈跳時間和彈跳特征的支持。就像一個籃球，移動更快的觸點不是有更多的動能，導致它跳得更高，持續彈跳更長時間嗎？但看起來并不是這樣。

三、繼電器為什么兩端要并聯二極管？

01 電感和電感器

????電感（inductor）是一個繞在磁性材料上的導線線圈（coil），電感通以電流時產生磁場（magnetic field），磁場很懶，不喜歡變化，結果呢，電感就成為阻礙其電流（current）變化的元件。

????如果流過電感的電流恒定，電感就很高興，不用對電子流出任何力（force），此時的電感線圈就是普通導線。

????如果我們想中斷電感中的電流，電感就會出力（電動勢，EMF），試圖維持其中電流。如果電感自身構成回路，電路中又沒有電阻（resistance），那么理論上，電子流永遠在循環流動。但是，除非我們采用超導體，否則所有的導線都對電流有阻礙作用，最終電感電流將衰減（decay）為零，且電阻越大，衰減越快。不過，感抗（inductance）越大，衰減則越慢。如圖1所示。

圖1 中斷電感電流時儲存的能量釋放??

????一旦電流變為零，由于電感總是試圖阻礙電流變化，此時它又想維持電路電流為零。

????所以，當我們把電感接入電路中時，電感馬上出力，試圖阻礙電流增加，但是電流還是慢慢在增加。電感感抗越大，電流增大的速度越慢。當電流不再增加而到達穩態值后，電感又樂不可支了，不用再出力了！如圖2所示。

圖2 電感電路ON

????當我們切斷電感中的電流時，電感又出力想維持穩態電流值。如果此時電感與一個電阻相連，則電阻兩端的電壓是其電阻值與電流的乘積。由于電感最大的本事就是阻止電流的突變，因此，不管電阻值是多少，在電路被切斷后的瞬間，電感中的電流與切斷前是一樣的。如果電阻值很大，則電流與電阻的乘積也非常大，結果，電感上會產生瞬時的高電壓。如圖3所示。

圖3 電感電路OFF

????由于電感中的電流不能突變，如果要切斷電感電路，我們總是需要提供電感電流釋放回路。假如沒有提供釋放回路，電感電流就會自尋通道，比如，通過空氣釋放，通過開關觸點或者其他不應導電的元件釋放。短時間的高電壓將對電路產生極大的破壞。?

????電感器能夠產生高電壓的能力在電源設計時非常有用，但也意味著，在沒有準備好釋放通路時不可以隨便切斷電感電路。

02?續流二極管

????從圖中可以看出斷電時EMF產生的瞬時高壓（數倍甚至數十倍于電源電壓）如果無處釋放，會對電路的其他元件造成損害，而如果提供釋放回路，又怎么能適時接通呢？即電感電路接通時，釋放回路不通，而電感電路斷開時釋放回路就接通。如圖4所示。

圖4 釋放回路接通的時機

????電阻是雙向導電的，而二極管就具有單向導電特性。因此我們采用如圖5所示的電路，圖中并聯在電感兩端的二極管稱為續流二極管（flyback diode或flywheel diode）。

圖5 續流二極管電路

03?續流二極管的作用

????續流二極管通常和儲能元件一起使用，其作用是防止電路中電壓電流的突變，為反向電動勢提供耗電通路。電感線圈可以經過它給負載提供持續的電流，以免負載電流突變，起到平滑電流的作用！在開關電源中，就能見到一個由二極管和電阻串連起來構成的的續流電路。這個電路與變壓器原邊并聯。當開關管關斷時，續流電路可以釋放掉變壓器線圈中儲存的能量。

續流二極管工作原理圖

04 BUCK電路中續流二極管的選擇

BUCK電路圖

??? BUCK電路中一般選擇快速恢復二極管或者肖特基二極管來作為"續流二極管"，它在電路中一般用來保護元件不被感應電壓擊穿或燒壞，以并聯的方式接到產生感應電動勢的元件兩端，并與其形成回路，使其產生的高電動勢在回路以續電流方式消耗，從而起到保護電路中的元件不被損壞的作用。

????理論上二極管選用至少2倍于最大電流，實際使用時，由于二極管的瞬間抗過載能力較強，使用最大電流50A的超快速二極管也行，加上合理的散熱片，實際使用中一般少有損壞。導通時的總阻抗是電機內阻+驅動管等效內阻。續流時的總阻抗是電機內阻+續流二極管等效內阻。一般情況下，由于續流二極管的交流等效內阻要比驅動三極管的交流等效內阻小。所以常規設計，一般續流二極管的最大電流，取二倍于電機最大電流。

????瞬態電流只是一瞬間，面接觸型二極管的抗過載能力還是可以的，只要不過壓即可，必要時串個小阻值電阻進行限流。續流二極管是為了保護開關器件，續流時的瞬態電流跟電機的工作電壓和繞組內阻有關，跟電機功率無關，真要計算的話，瞬態電流的峰值是反向自感電壓減去二極管結壓降再除以回路電阻。這里之所以還要用一定電流以上的二極管是因為低壓大功率電機的繞組內阻較低，所以瞬態電流會比較大，串個小阻值電阻就可以抑制峰值電流，因此造成的開關管瞬態加壓的些許上升因為工作電壓本來就不高，所以根本不必擔心，現在的晶體管耐壓至少都在50V以上。

05 繼電器續流二極管的選擇

??繼電器并聯的二極管，不是什么BUCK電路中的續流二極管，由于繼電器線圈的是感性負載，作用是吸收驅動三極管在斷開時繼電器線圈的自感電壓，根據楞次定律，電感上的電流在減小時，會產生一個自感電壓，這個電壓的方向是正電源端為負，驅動管集電極為正，這個電壓會擊穿三極管，所以在繼電器上并聯一個吸收二極管，吸收這個自感電壓。

????第一，電路ms級以下時間參數對機械觸點影響給予忽略

????第二，即便是1N4000反向恢復時間也遠低于ms，正向導通時間更小

????第三，驅動管極間電容，繼電器寄生電容足以使高速二極管無用武之地

????第四，電感儲能的消耗主要依靠饒組電阻，一般處于過阻尼狀態

????對于圖中的開關，我們經常使用晶體管。如圖所示，用一個晶體管TR1去控制繼電器線圈（relay coil）的導通，繼電器觸點再去控制負載電路。

繼電器線圈的續流電路

????二極管負極接直流電源正極，繼電器線圈斷電時，二極管因勢利導，為線圈高電壓提供釋放途徑。如果沒有續流二極管，晶體管斷開時在線圈兩端產生的高電壓將對晶體管電路造成極大的損壞，此時續流二極管起到了保護作用。

????為此，經常將二極管直接和繼電器做在一起，如下圖所示。

06?觸點的保護電路一

????般感性負載比電阻性負載更容易使觸點受到損作，如果使用適當的保護電路可以使感性負載對觸點的影響與電阻性負載基本相當，但請注意如果不正確使用，可能會產生反效果。

????下表是觸點保護電路的代表性例子。

?? 注意請避免下表中所列的觸點保護電路。

07?續流二極管的電路

?續流二極管應該加到感性負載的兩端，這里說的感性，就是具有電感特性，而不是性感。感性負載的特性就是電流不能突變，也就是說，不可能一下子就沒了，也不可能一下子就有了，需要有個過程。

????常見的感性負載有繼電器線圈、電磁閥。

08?為什么要加續流二極管

????感性負載會產生感應電動勢，感應電動勢的方向和加在它兩端的電壓方向是相反的，當感性負載突然斷電，感應電動勢還在，由于感應電動勢與原來的電壓方向相反，在沒有斷電的時候，還有原來的電壓與之抵消，斷電后就沒有與感應電動勢抵消的電壓了，這個感應電動勢就有可能造成電路中的元器件損壞，加個二極管以后，這個二極管正好與感性負載形成了一個閉合回路，回路中的電流方向正好和二極管是正向導通的，就可以釋放感應電動勢的電流了。