小功率直流电磁继电器反向尖峰电压保护电路分析

马文宁

小功率直流电磁继电器反向尖峰电压保护电路分析

马文宁

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

结合对直流继电器故障的分析，对几种继电器反向峰值电压保护措施进行了对比，结合设备自身工作的特点找到了最优的保护措施，并通过搭建电路进行了实验验证，为后续设备升级提供了一个参考方向。

直流电磁继电器；反向峰值电压保护；续流二极管；稳压二极管；TVS钳位管

0 引言

某型设备的控制电路中使用了一种在印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）上安装的微型直流电磁继电器（型号为2JT2-3/II12G，基本参数为2组触点、线圈绕组300 Ω、线圈电压直流12 V、触点负载直流28 V/2 A）用来控制系统两种工作状态之间的切换。在售后维修过程中经常有继电器故障，不能进行状态转换。通过故障分析发现这些故障继电器的触点有烧蚀并发生粘连的痕迹，用40倍放大镜观察如图1所示。这是继电器线圈（感性负载）断开时产生的反向尖峰电压引起的。为了保证设备长时间使用的可靠性，本文对继电器的反向电压保护电路进行分析，结合试验测试给出改进措施。

图1 有烧蚀痕迹的继电器触点

1 电路原理分析

继电器控制电路原理图如图2所示。状态控制信号通过光电耦合器送至开关三极管的级，当控制信号为高电平IN时1打开，+15 V直流电压通过1分压后加到继电器绕组上，绕组中有电流通过，常开触点吸合，+28 V直流电压通过触点施加到负载2上，此时系统检测为高电平状态。当控制信号切换为低电平IN时，继电器绕组中无电流通过，常开触点断开，此时系统检测为低电平状态，完成系统状态的转换。

图2 继电器控制原理图

2 继电器工作情况分析

2.1 电感线圈产生的感应电动势分析

根据楞次定律感应电动势总是阻碍电流的变化。当电路通电时，如图3所示。流经电感线圈的电流增大，根据楞次定律产生的感应电动势要阻碍电流的增加，电感电动势产生的电流和相反（从到），所以感应电压为正负。同理当电路断电时，电流减小，感应电流从到，感应电压为正负[1]。

图3 电感线圈通电示意图

2.2 控制电路中不加保护二极管的分析

图2中的继电器控制电路为典型的拍合式模式。电路断电后继电器绕组中的磁通量开始下降，当磁力下降至小于弹簧力时衔铁开始断开。弹簧力随着衔铁位置的降低而减小，磁力同样会随着衔铁位置的降低和绕组中电流的衰减而减小。当绕组内的电流中断后，线圈产生的感应电压非常高[2]。该电压与+15 V直流叠加后将会远远超过1的反向击穿电压CE。通过搭建电路实测，该电压峰值超过300 V，如图4所示。

图4 电感线圈反向尖峰电压实测图

2.3 增加保护二极管分析

在设计继电器驱动电路时，会使用多种反向尖峰电压抑制技术对电子开关进行保护，使其免受瞬态尖峰电压的影响。一般是在继电器绕组两端并联普通二极管对线圈进行感应电压分流，减轻线圈电流突然中断导致的磁通量崩溃，防止电源电压与感应电压叠加，击穿电子开关。

本电路设计是在继电器绕组两端反向并联了一个开关二极管1N914，这样可以为流经线圈的电流提供一个通路，使线圈感应电压幅度限制在二极管的正向压降上（0.7 V左右），从而使线圈电流及磁通缓慢衰减。通过搭建电路实测，增加1N914保护二极管后该电压峰值与电源电压基本相同，如图5所示。

图5 增加保护二极管后反向尖峰电压实测图

2.4 二极管保护电路的不足之处

在继电器绕组两端并联保护二级管可以为电子开关提供较好的保护，但这样会对继电器触点产生不利的影响。根据图6所示受力分析，迫使衔铁断开的合力是磁力与弹簧力之差[3]。

图6 磁铁和弹簧共同作用的受力分析

在继电器绕组并联二极管保护时，反向峰值电压会限制在一定的范围内，但线圈中电流不是迅速衰减，而是有一个相对衰减的缓慢过程，如图7所示。

图7 增加保护二极管后绕组电流衰减曲线

由于电流有一个衰减过程，所以磁通量和磁力也会缓慢衰减。而由常开触点弹簧力提供的断开力会快速减小，这样就会使合力在一段时间内出现反转，使得断开的触点出现弹跳吸合的现象。当触点发生弹跳时，会将大电流负载（2 A电流）连接到+28 V直流电源上，这将会使触点之间出现微小的融融界面，继而引起微焊接或者粘连状态，造成继电器不能正常进行状态的转换，与故障现象中的情况是一致的。

3 继电器保护电路改进

3.1 二极管加稳压管保护电路的分析

通过上述分析可知，不仅要将继电器绕组产生的反向峰值电压限制在开关管可承受的范围内，同时也要考虑线圈中电流的衰减速度。因此将二极管串联一个稳压管并联到继电器绕组上，可以获得一个较好的电流减率。当线圈电源中断时，线圈上的电流通过这个旁路续流，迅速将能量耗尽[4]。

通过选择合适的稳压值，将线圈感应电压限制在合适的范围之内。这样既保护了开关1也保护了继电器触点，避免出现触点焊接的现象。使用一只齐纳二极管1N4731（稳压值为5 V）和二极管1N914搭建电路进行测试，驱动信号为10 V/5 Hz的方波信号。通过测试，线圈的反向峰值电压被限制在电源电压+5 V的范围内，同时线圈内的电流也会迅速衰减，测试如图8所示。可以看出驱动信号跳变为低电平时，线圈中反向峰值电压为20 V。驱动信号与状态指示电压之间几乎没有时间延迟，线圈绕组的电流衰减也很快。

3.2 TVS管保护电路的分析

反向峰值抑制器（Transient Voltage Suppressor，TVS）管是一种钳位型器件，在受到瞬态高能量冲击时它能以极高的速度（ns级）将两极的高阻抗变为低阻抗，吸收电压尖峰脉冲，同时也能使两极之间的电压保持在一个特定的值，避免击穿开关管[5]。

选用一只双向TVS器件SA18CA并联在继电器绕组的两端，测试驱动波形同样为10 V/5 Hz的方波信号，测试波形如图9所示。

通过测试可以看出，继电器线圈产生的反向峰值电压被限制在电源电压+18 V左右，同时线圈中的电流也以极快的速度进行衰减，达到了目的。

4 结语

通过以上的分析可以得出结论：

1）继电器绕组在断开时会产生很高的感应电压，对电子开关造成严重干扰，必须加以保护；

2）目前的设计中使用的反向并联二极管措施可以限制反向峰值电压，对电子开关进行保护，但是对继电器的触点是不利的，易出现触点熔焊导致继电器不能状态转换。查询故障维修记录，发现电子开关从未损坏过，而继电器经常出现状态不能转换的现象，这与分析的结论一致；

3）通过实验测试发现，稳压管和TVS管均可以对电子开关和继电器触点进行有效的保护，从成本考虑，建议改用双向TVS管对电子开关和继电器触点进行保护；

4）继电器触点在分断过程中易出现熔焊现象，这是由于分断过程中存在弹跳电弧。本设计中的负载接通时能量较大（28 V/2 A左右），因此考虑减少继电器的状态转换过程。通过询问客户发现系统使用时会长时间处于高电平状态，较少使用低电平状态。因此建议改用继电器常闭触点接高电平状态，这样系统开机后直接进入高电平状态，减少了系统状态的切换，从而减少了继电器故障的可能性。

本文对多种直流继电器的反向峰值电压保护措施进行了分析，结合设备自身的特点找到了最优的保护措施，并通过搭建电路进行了实验分析，为后续设备升级提供了一个参考方向。

[1] 龙先江. 直流电磁继电器反向电压抑制方法浅析[J]. 煤矿机电，2018（6）.

[2] 陈君. 直流继电器线圈控制电路对其性能参数的影响[J]. 电器与能效管理技术，2019（3）.

[3] 张开淋，刘向军. 高压直流继电器弹簧系统仿真与分析[J]. 电器与效能管理技术，2018（2）.

[4] 阮永刚，刘宇奇. 浅析用二极管抑制电磁继电器线圈瞬态电压的几种电路[J]. 机电元件，2015（4）.

[5] 白树林，许波. TVS及其在电路设计中的应用[J]. 新特器件应用，2009（11）.

Analysis of Reverse Peak Voltage Protection Circuit For Low DC Electromagnetic Relay

MA Wenning

Combined with the analysis of DC relay failure, several relay reverse peak voltage protection measures were compared with the characteristics of the equipment’s own work to find the appropriate protection measures, and through the construction of the circuit for experimental verification, it provides a reference direction for subsequent device upgrades.

DC Electromagnetic Relay; Reverse Peak Voltage Protection; Freewheel Diode; Voltage Stabilizing Diode; TVS Tube

TM581.4

A

1674-7976-(2022)-05-387-04

2022-04-11。马文宁（1988.02—），陕西西安人，工程师，主要研究方向为电子电路设计。