继电器特性和继电器触点保护.doc

关于继电器特性和继电器触点保护
一、 常有的继电器触点保护电路有：
l 在继电器驱动端并接反向二极管，用于吸收继电器线圈火花，保护继电器的驱动三极管；
l 在继电器负载端并接RC吸收电路；用于吸收负载火花；
l 继电器负载端并接压敏电阻，用于吸收负载接通时的尖波；一般用于继电器接电机之类的感性负载，尤其是继电器驱动直流负载时常用；
l 对容性负载，一般在负载端串接电阻或RL电路；
l 但是要注意，增加这些保护电路后，会改变继电器的吸合时间和吸合特性；有时可能因为漏电流而导致继电器的误操作。
二、 继电器驱动电路中二极管保护电路
        继电器内部具有线圈的结构，所以它在断电时会产生电压很大的反向电动势，会击穿继电器的驱动三极管，为此要在继电器驱动电路中设置二极管保护电路，以保护继电器驱动管。
        如图9-53所示是继电器驱动电路中的二极管保护电路，电路中的J1是继电器，VD1是驱动管VT1的保护二极管，R1和C1构成继电器内部开关触点的消火花电路。

图9-53 二极管保护电路

图9-54 等效电路
电路工作原理分析
        继电器内部有一组线圈，如图9-54所示是等效电路，在继电器断电前，流过继电器线圈L1的电流方向为从上而下，在断电后线圈产生反向电动势阻碍这一电流 变化，即产生一个从上而下流过的电流，见图中虚线所示。根据前面介绍的线圈两端反向电动势判别方法可知，反向电动势在线圈L1上的极性为下正上负，见图中 所示。如表9-44所示是这一电路中保护二极管工作原理说明。
表9-44 保护二极管工作原理说明
名称
说明
正常通电情况下
直流电压+V加到VD1负极，VD1处于截止状态，VD1内阻相当大，所以二极管在电路中不起任何作用，也不影响其他电路工作。
电路断电瞬间
继 电器J1两端产生下正上负、幅度很大的反向电动势，这一反向电动势正极加在二极管正极上，负极加在二极管负极上，使二极管处于正向导通状态，反向电动势产 生的电流通过内阻很小的二极管VD1构成回路。二极管导通后的管压降很小，这样继电器J1两端的反向电动势幅度被大大减小，达到保护驱动管VT1的目的。

三、继电器触点的常识
1、触点保护
      在切断电机、变压器、离合器和螺线管等电感性负荷时，触点两端常常会出现数百乃至数千伏电压，这会使触点寿命显著变短。
      另外，电感负荷产生的1A以下的电流，可导致火花放电，这个放电会使空气中有机物发生分解，触点碳化（氧化或碳化）发黑，这也将导致触点接触不良。
      这里反电压产生的主要原因是当切断感性负载时贮存在线圈中的电感里的能量1/2 Li 2通过触点放电的形式表现出来，这时反电压t=-L.Di/Dt。一般常温湿条件下空气的临界击穿电压为200~300V，即反电压高于此值时将导致空气 场击穿。但如将反电压吸收部分使之小于200V时则不会发生场击穿。断点续传，设计些像图57示的保护电路在实用中是很有意义的。
      方法是阻容回路法、二极管法、可变电阻器并联等使用中注意事项，使用触点保护回路时，释放时间将变长，这一点提醒使用时须加注意，另外保护电路的元件使用不是一个组合时，负载应安装在靠近触点侧。
2、负载种类和浪涌电流
      负载的类别和浪涌电流特性与开关频率有关，这也是触点容易发生熔连的原因之一。尤其是浪涌影响甚大，这一点必须在选择继电器时充份考虑其接点所能承载的裕度。图58给出的是不同负载下的电流波形以及与时间变量的关系，有一定参考价值。
3、触点转移
      所谓触点转移现象是指在开关直流负载电路时一组触点一侧的触点熔蚀后挥发（飞溅）到另一触点上面，从而产生对接触点的一侧触点表面为凹状，而另一侧触点表面为凸状，这个现个象我们叫它触点转移。
      转移程度随着触点开闭频次的增加而加剧，尤其在开断直流感性负载时，由于产生过电压，这时，可产生2A~数10的浪涌电流，从而使触点处产生弧光放电或火花。
      针对这一情形，在此回路中可采用必要的触点保护电路，同时采用AgW、AgCu等不太适合转移的触点材料以减少这一转移现象的程度。
      在开闭直流电路时，触点材料转移一般 - 极一侧呈凸状，而 + 极一侧则呈凹状。
      因此在开闭直流大容量负载时如数A~数10A，确定实用的触点保护线路是必要的。
4、高频次的开闭直流负载会引起触点异常电腐蚀
      在高频次的开断直流电子管和离合器的场合，触点会产生青绿色的光。触点开闭时的这一火花和空气中的 N 2 和 H 2 O（水气）结合产生化学作用，使触点保护回路失去消火花能力，从而在很大程度上加剧触点的损伤，因此对这一情形必须引起使用者的注意。
5、触点开关应放在电路的交流一侧
      一般说，对于同样负载来说，开断交流较比切断直流更容易些。或者说，对同一开关而言切断交流负载较比直流负载空量可大些。这是因为交流有过零现象。交流电 流过零时，实际上输入触点的功率就是零，自然产生电弧的能量也是零。这在相当程度上减短了电弧燃烧时间，自然也就使触点的腐蚀耗损减小了。因此开断同一负 载时，交流较直流容易。
6、负载上开关触点的接线方式
      负载与继电器的触点同电源的接线方法，即触点的一侧全部接在同一电位上，防止触点之间有高的电压发生，那样连接则比较靠近的两个触点将产生短路从而使电源有放电的危险。
7、其他不宜选用的电路接法
      a.触点间短路电路
      b.电机正反运转电路
      c.不同电源电压的交替切损
      d.负载分开的方法
8、漏泄电阻
         在极其微小的电流回路中（通常称之为干电流电路），触点电压极低，这会引起触点接通时接触不良。为此常在负载旁并联一个漏泄电阻，这个方法可以使接触的可 靠性改善一些，在0.1V、0.1mA以下的回路中常选用有双子触点的继电器，同时要注意这时使用继电器的触点所用材料。
继电器触点保护和触点的事项
看到一张网上的图描述触点的接通时间的过程分析的，非常不错，先放在这里。

我们知道其实继电器的触点保护要比Mosfet更加残酷，一般继电器的负载要比Mosfet大很多。
常 见的直流大的负荷直流电动机，直流离合器和直流电磁阀，这些感性负载开关关闭，数百甚至几千伏的反电动势造成的浪涌会把触点寿命降低甚至彻底损坏。当然如 果电流较小，比如在1A附近的时候，反电动势会造成电弧放电，放电会导致金属氧化物污染触点，导致触点失效，接触电阻变大。
这里要提一下，继电器始终是会失效的，我们做保护，主要是希望延长继电器的使用时间，因为触点始终会积碳，老化，其表面不如最初那样清洁。在继电器寿命临近后期时，其接触电阻会迅速增大。
一般常温常压下，空气中的关键 电介质击穿电压为200～300V.因此我们的目标一般是把电压控制在200V或更小的电压以下。

我们一般有以下的集中方法来抑制：

        标准二极管能显著地延长回动时间，将常规的二极管与齐纳二极管串联并不会过多地影响回动时间。如果是电感性负载，当触点分开时，较长的回动时间延长电弧产 生的时间，并会缩短触点寿命。例如，一个线圈上连接了二极管的继电器需要9.8ms的时间才能释放触点。将齐纳二极管与小信号二极管结合在一起，可将时间 缩短到1.9ms。线圈上没连接二极管的继电器的回动时间为1.5ms。
感性负载虽然比阻性负载难处理，但是使用好的保护将会使性能变得更好。
有两种方法是非常糟糕的，千万不能使用的。

直流负载下较高频率下开关会造成异常的高腐蚀 （电火花的产生）
当较高频率下控制直流电磁阀或离合器，触点可能会发生blue-green腐蚀。出现这种情况的原因是，当电火花（电弧放电）产生的时候，氮气和氧气在空气中的反应生成的。
材料转移现象
材料接触时，在触点一部分熔化或者损坏时会发生转移的现象。随着转移的推移，甚至会出现下图的现象。过了一段时间后，不平衡的触点会粘和在一起了。

通常发生在大电流的负载（容性和感性）的inrush电流时，电弧产生会造成粘和的现象。
对于粘和只有两种策略：
触点保护电路和抗材料转移的物质如银，氧化锡，银钨或AgCu在触点的使用。
一般来说凹形出现在阴极，凸形出现在阳极。

负载Inrush示意图：

1线圈保护
... 只要条件允许，应使继电器线圈和铁心无论在线圈导通或断开时都处于等电位，以避免电化学腐蚀。
2触点保护
... 继电器触点保护线路很多，对电感性负载通常采用负载并联二极管消火花，与触点并联RC吸收网络或压敏电阻来保护触点。对容性负载、灯负载通常采用在负载回路串联小阻值功率电阻或串联RL抑制网络来抑制浪涌电流的冲击。
8