浅析用二极管抑制电磁继电器线圈瞬态电压的几种电路

阮永刚，刘宇奇

(陕西群力电工有限责任公司，陕西宝鸡，721300)

1 引言

电磁继电器是航天、航空、电子、兵器、舰船、通讯等装备中常用的一种电子元器件。因其感性的线圈在去激励过程中产生幅值极高、能量较大、脉宽较小的瞬态电压，导致装备的控制电路常常被损伤或损坏。我们在对用户的技术服务过程中，对继电器线圈的瞬态电压抑制电路做了分析和调整，多次解决了用户的相关技术问题。

瞬态电压对电路中元器件造成的损伤和损坏与元器件的大小，特别是与PN结的有效面积有关，有效面积越小，越易受损。目前，电子元器件越来越微型化、表贴化，智能芯片的贴装密度也越来越高，瞬态电压对电路中元器件的损伤和损坏日益显现，使整体电路的性能和可靠性降低。

抑制瞬态电压常用且有效的方法之一是用二极管抑制电磁继电器线圈两端的瞬态电压。在电磁继电器总规范和可靠性相关的美军标、国军标中均有不同程度的论述。在美军标MIL－HDBK－338《可靠性设计手册》第一卷 7.4.6"减少设计失误的方法"一节明确提出了由于电路缺少续流二极管而受到较高的电压应力，按失效前平均工作时间计，无续流二极管的电路为53万小时，有续流二极管的几乎达到100万小时。目前，采用二极管抑制电磁继电器瞬态电压已成为电子工程师们的共识，甚至国内外电磁继电器制造厂商为了顺应市场的需求，在继电器内部增加了瞬态电压抑制二极管。由于瞬态拟制电路和采用的二极管不同，对瞬态电压的抑制效果差异较大，对继电器的工作影响有显著不同。为此我们对采用二极管抑制电磁继电器线圈瞬态电压的电路进行分析和讨论。

2 二极管抑制电磁继电器线圈瞬态电压的电路

2.1 瞬态电压

继电器线圈两端的去激励为阶跃信号，去激励由额定值直接减小到0。电磁继电器输入电路中经常采用晶体管(或场效应管)来驱动，晶体管工作在开关状态，晶体管的动作时间最高可以达到ns级，在晶体管截止的瞬间，电磁继电器线圈两端会产生一个幅值极高的瞬态电压，瞬态电压大小的数学模型见下式:

式中，E——瞬态电压;

L——线圈电感;

I——线圈中的稳态电流;

dt——关断时间。

由于在电磁继电器去激励过程中，不仅施加在感性线圈上的电流会发生变化，而且因继电器磁路中衔铁的位置不同，线圈的电感量也会发生变化;尽管继电器线圈的电感量L和线圈中的电流I均较小，但驱动继电器的晶体管的截止时间dt更小，因而会产生幅值极高的瞬态电压。该瞬态电压不仅施加给继电器线圈本身，也施加给输入电路中的其它元器件，瞬态电压不仅会造成线圈匝间绝缘损伤，而且会造成匝间短路，增大了线圈中的电流，在频繁的工作过程中，形成恶性循环，直至继电器线圈损坏;瞬态电压施加给电路中的其它元器件，会损伤或损坏电路中耐压较低的元器件，降低电路的可靠性，甚至造成电路损坏并且不能正常工作。

驱动继电器的晶体管截止时间dt，主要取决于晶体管基极信号工作沿的陡峭程度。基极信号工作沿越陡峭，瞬态电压幅值也会越高，这将会降低继电器和晶体管等外围电路的可靠性;晶体管基极的信号边沿越平坦，造成晶体管工作在放大区的时间越长，大大降低继电器动作的可靠性。因此，电磁继电器的驱动采用陡峭的工作沿，并配备瞬态抑制电路的方式来实现。

瞬态电压的脉冲宽度是由继电器线圈中储存能量的多少以及释放这些能量的电路参数所决定。线圈中储存的能量由线圈电感、线圈中的稳定电流决定，释放这些能量则受线圈电阻、瞬态抑制电路的类型、瞬态抑制电路中元件参数等因素的影响。

2.2 瞬态电压抑制电路中的二极管

瞬态电压抑制电路中常用的二极管有开关二极管、稳压二极管和瞬态电压抑制二极管。它们均能有效地抑制电路中的瞬态电压，为电路提供保护。这种保护是以减小产生的瞬态电压为目的，二极管极高的响应速度正好满足了这种需求。开关二极管抑制瞬态电压具有单向工作和响应时间快的特性，响应时间一般为ns级。稳压二极管和瞬态抑制二极管(TVS管)具有双向工作特性，正向工作时同普通二极管相同，反向工作都可以用来抑制瞬态电压。两者在稳定电流和响应时间上有区别，稳压二极管的稳定电流大些，响应时间慢一些。在稳压二极管基础上发展而来的TVS管的稳定电流小，响应时间极快，可在10－12S的级别上响应。

2.3 瞬态电压的抑制电路及仿真

2.3.1 不加瞬态电压抑制二极管的电路及仿真

图1为晶体管驱动电磁继电器不加瞬态电压抑制二极管的电路。要求晶体管的基极施加方波信号，使晶体管工作在开关状态。图1中手动按钮J1为机械式触点，在接通和断开瞬间过程中有抖动，产生的驱动晶体管的信号不是理想方波，为了获得较为理想的方波信号，将手动按钮产生的信号通过消抖和整形电路Circuit01(以下Circuit01电路功能相同)后提供给驱动继电器的晶体管，满足了继电器的驱动要求。同时将该驱动信号送入示波器A通道，将晶体管集电极信号送入示波器通道B，将继电器线圈等效成一只纯电感和一只电阻串联，仿真过程我们以JQX－20MC/028规格的继电器为例，仿真过程只计电流的变化量，不计由衔铁位置变化引起的电感量的变化。

图1 不加瞬态电压抑制二极管的晶体管驱动电磁继电器电路

图2 为虚拟示波器测试出的仿真结果。从图中可以清楚地看到B通道的信号仅在A通道下降沿到来时刻才产生一个脉冲瞬态电压，该瞬态电压的幅度约为1500V(见图2)。在 GJB1461－92《含可靠性指标的电磁继电器总规范》4.7.10.2条直流电磁干扰一节，描述了瞬态电压幅值约1200V。图3为我们仿真的波形。扫描时间调为50μs/格时，测得瞬态电压的全脉冲宽度约为39.2μs。电磁继电器在阶跃去激励时刻线圈会产生一个幅值极大、脉冲宽度极小的脉冲式瞬态电压。

图2 虚拟示波器测试出的仿真结果

图3 仿真的波形

2.3.2 采用开关二极管的瞬态抑制电路

图4为电磁继电器线圈瞬态电压抑制的典型电路之一。图中二极管D1也称为续流二极管，该二极管为线圈断电瞬间产生的瞬态电压提供了泄放电流的回路，从而实现了对瞬态电压的抑制。对强功率及中、弱功率电磁继电器，线圈额定电压为28Vd.c.时，瞬态电压抑制采用开关二极管1N4148是常见的电路之一，可以将线圈断电瞬间的晶体管集电极电压Vc钳位在Vc=Vcc+VFD(VFD为二极管D1的正向导通压降约为0.9V)的水平上。由于将瞬态电压抑制的比较彻底，线圈中能量泄放需要较长的时间，造成继电器的释放时间、释放回跳时间明显增加，使该继电器的触点电寿命严重下降。

从仿真结果图5中可以看到，瞬态电压抑制后晶体管集电极电压VC的最大电压为28.8V，瞬态电压的脉冲宽度为3.6ms，与不加续流二极管相比，极大地抑制了瞬态电压的幅度，但脉冲宽度却大大增加。

图4 电磁继电器线圈瞬态电压抑制的典型电路

图5 仿真结果

2.3.3 采用开关二极管与稳压二极管配合抑制瞬态电压的电路

对强功率及中、弱功率电磁继电器，线圈额定电压为28Vd.c.时，图6为常见的瞬态电压抑制电路之一。通过二极管D1、D2在晶体管关断瞬间对晶体管集电极电压Vc进行抑制，其中Vc=VZD2+VFD1+VCC(VZD2为稳压二极管的工作电压)，图6中D2选用1N5240B，它的工作电压VZD2=10V，D1选用1N4148，它的正向导通电压VFD1=0.9V，VC=38.9V。通过对瞬态电压峰值的钳制，降低了瞬态电压的峰值，减小了电路的电压应力，达到了保护电路的目的。该电路优点是对继电器的释放时间、释放回跳时间影响较小，减小了对继电器电寿命的影响;缺点是对瞬态电压的抑制不彻底，线圈中的能量没有得到彻底释放。

图6 常见的瞬态电压抑制电路

图7 仿真结果

从图7的仿真结果可以看出，晶体管集电极电压VC=38.9V，脉冲宽度为1.4ms。与图4电路的抑制结果相比，图6电路抑制后晶体管集电极电压较高，脉冲宽度较小。目前，半导体器件制造商已将二极管D1、D2集成在同一封装中，不仅减小了体积，而且提高了电路的可靠性。

当继电器线圈参数和晶体管的关断时间为定值时，经抑制后的瞬态电压幅值与脉冲宽度之间的关系是瞬态电压幅值越高，脉冲宽度越窄，对继电器的释放时间影响越小，但相关电路要承受的电压应力也越高;瞬态电压幅值越低，脉冲宽度越宽，相关电路要承受的电压应力越小，但对继电器的释放影响越大。

2.3.4 采用TVS管抑制瞬态电压的电路

TVS管抑制瞬态电压可以接成与图6相似的电路，电路应采用双向的瞬态抑制二极管，其优点是瞬态抑制响应时间短，可以达到10－12S，TVS管可以集成在电磁继电器内部，瞬态抑制电路对继电器释放时间的影响程度，可以在继电器制造过程中得到控制。

图8 TVS管抑制瞬态电压

TVS管抑制瞬态电压如图8所示电路，TVS管D1采用单向的瞬态抑制二极管，晶体管截止瞬间的集电极电压Vc=V(BR)D1，一般选取V(BR)D1=(1.2～1.5)Vcc，可以实现对继电器和外电路的保护。该电路的优点是对瞬态电压的抑制响应速度极快，可以达到10－12S，可以灵活的通过改变 TVS管D1的规格来调整晶体管截止瞬间的集电极电压Vc的大小，把瞬态电压及其对继电器的释放时间的影响控制在可接受的范围。TVS管D1不能安装在继电器内部，可以集成在晶体管内。

2.4 试验验证

我们选择JQX－20MC/028规格的继电器6只进行了试验验证，用VC9807+型数字万用表和DL－6243型电容电感测量仪分别对线圈的直流电阻和电感量进行了测量;用JDCS－Ⅲ型继电器时间参数测量仪对继电器的时间参数进行了测量，测量结果见表1。

表1 试验验证数据记录表

3 结论

继电器去激励过程中产生的瞬态电压大小与继电器线圈的电感量、稳定电流、去激励的快慢密切相关。瞬态电压的脉冲宽度是由线圈中储存能量的多少及释放这些能量的电路决定。瞬态电压的抑制是以减小已产生的瞬态电压对外围电路的影响为目的，可以从瞬态电压的幅度、脉冲宽度、响应速率三个方面进行抑制。瞬态抑制电路集成在电磁继电器内部，对继电器释放时间、回跳时间的影响，可以在继电器制造过程中得到控制，继电器制造商应在继电器的相关资料中注明瞬态电压的抑制水平，供用户选用;瞬态抑制电路配置在继电器外部，抑制电路较为灵活，可以灵活调整瞬态电压抑制水平，但对继电器释放时间、回跳时间的影响不可控;瞬态电压的抑制响应时间越快越好;瞬态电压的抑制水平，不一定越低越好，应根据电路能承受的电压应力来合理选择瞬态抑制电路和其中元件的参数，才能有效地提高电路工作的可靠性。

［1］ 曾天翔、丁连芬等译.MIL－HDBK－338可靠性设计手册［M］.北京:航空工业出版社，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］ 赵蕴珍等.GJB1461－92含可靠性指标的电磁继电器总规范［S］P35～P36.

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