繼電器打開與關(guān)閉需要多長時(shí)間?

有太多的因素影響這個(gè)問題，確實(shí)沒有明確的答案可以給出。不過，通過搭建測試電路，我們可以去觀察繼電器的行為，包括電樞物理接觸電磁鐵芯時(shí)電感的變化、飛行時(shí)間、接觸反彈和電壓的影響，來探索繼電器的屬性。

希望本文能對(duì)你有所幫助。

1. 什么是繼電器？

我們以在工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常使用的插入式“繼電器”為例。即繼電器被“插入”在兩個(gè)系統(tǒng)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(gè) 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(gè)24VDC 的接觸器（DPE09BL）。

技術(shù)小貼士:關(guān)閉大型直流接觸器或繼電器可能是一個(gè)有壓力的事。回想一下，線圈在磁場中儲(chǔ)存能量。還記得電感器“想”保持電流恒定。其結(jié)果被稱為感應(yīng)踢腳（inductive kick ），在線圈斷電的那一刻，電感器會(huì)做任何必要的事情來保持電流恒定。如果沒有相關(guān)的保護(hù)，電壓將上升到數(shù)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(dǎo)體開關(guān)。浪涌抑制二極管通常被合并，以提供電流的替代路徑。

更多內(nèi)容，請看：

什么是插入式繼電器？

下面，我們來看看打開關(guān)閉繼電器開關(guān)，具體要多少時(shí)間？

2.繼電器測試電路

首先，我們來搭建一個(gè)繼電器打開關(guān)閉時(shí)間的測試電路。

硬件部分：

一個(gè)工業(yè)繼電器46.52加插座

一個(gè)Arduino Nano Every來切換驅(qū)動(dòng)

一個(gè)Digilent示波器ANALOG DISCOVERY

探頭 BNC 適配器

10x 探頭，允許測量高達(dá) +/- 250 VDC的模擬電壓

圖2: 繼電器打開關(guān)閉時(shí)間的測試電路

3.繼電器關(guān)閉時(shí)間測試

3.1繼電器關(guān)閉測試原理解析：

這個(gè)繼電器驅(qū)動(dòng)器看起來可能設(shè)計(jì)得有點(diǎn)復(fù)雜，但實(shí)際上高邊驅(qū)動(dòng)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(gè)小值的分流電阻R5。因?yàn)檫@個(gè)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(gè)已知電阻上的小電壓降一樣。

電路的其他部分包括電平轉(zhuǎn)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(tài)的方式。

別忘了繼電器線圈上的D1反饋二極管。當(dāng)繼電器關(guān)閉時(shí)，這個(gè)二極管可以保護(hù)晶體管Q2。這個(gè)二極管對(duì)繼電器打開沒有影響，但對(duì)繼電器關(guān)閉有重要作用。

圖3：繼電器關(guān)閉測試原理圖

技術(shù)小貼士：繼電器常開 (N.O.) 與常閉 (N.C.) 觸點(diǎn)的區(qū)別

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

圖4. 常開、常閉繼電器實(shí)驗(yàn)示意圖

圖5. Finder(46系列)繼電器

更多信息：

簡單的實(shí)驗(yàn): 繼電器常開 (N.O.) 與常閉 (N.C.) 觸點(diǎn)的區(qū)別

3.2測試結(jié)果：

結(jié)果如下圖 所示。有三個(gè)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(lán)色曲線（CH 2）是R5分流電阻處測得的繼電器電流。

中面板：藍(lán)色曲線（CH 2）是繼電器常閉觸點(diǎn)處測得的電壓。

下面板：藍(lán)色曲線（CH 2）是繼電器常開觸點(diǎn)處測得的電壓。

技術(shù)提示：Analog Discovery 3 作為雙通道示波器運(yùn)行。當(dāng)配備 10 X探頭時(shí)，它能夠測量高達(dá) +/- 250VDC 的信號(hào)。如果使用 4 通道示波器，則下圖的復(fù)合圖可以構(gòu)建為單個(gè)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(diǎn)電壓

根據(jù)上圖數(shù)據(jù)，我們觀察到：

電樞運(yùn)動(dòng)首次觀察到在 4.7ms 時(shí)，常閉觸點(diǎn)切換。

從4.7ms 到 7.6ms 有 2.9ms 的飛行時(shí)間。在這個(gè)“飛行時(shí)間”中，常閉和常開觸點(diǎn)都沒有連接到電路。

與常開觸點(diǎn)的第一次接觸發(fā)生在 7.6ms。

從7.6ms 開始一直延伸到8.8 ms，觸點(diǎn)反彈 1.2ms 。

除了這些觸點(diǎn)的變化，繼電器電流中有一個(gè)微妙的下降。這發(fā)生在電樞運(yùn)動(dòng)時(shí)。推測，繼電器電感變化，因?yàn)殡姌械蔫F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(duì)著線圈保持在位置上，這種擾動(dòng)就不會(huì)發(fā)生。

如果你想了解繼電器關(guān)閉速度，請看下面內(nèi)容：

繼電器知識(shí)點(diǎn) -繼電器的關(guān)閉需要多長時(shí)間?

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(diǎn)不一樣。對(duì)高側(cè)驅(qū)動(dòng)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?yàn)楫?dāng)繼電器停用時(shí)，我們將遇到更高的電壓。R4 電阻移動(dòng)，使其與反激二極管 D1 串聯(lián)。

圖7. 繼電器打開測試原理圖

技術(shù)小貼士:你可能會(huì)反對(duì)在這種高壓情況下使用 1N4001 二極管。畢竟繼電器 K1 的感應(yīng)反打會(huì)發(fā)展到近 100V。然而，在這種情況下，1N4001 二極管并沒有受到壓力，因?yàn)楫?dāng)繼電器斷電時(shí)，它會(huì)傳導(dǎo)約 0.7VDC 的二極管降。在正向方向上，它將遇到一個(gè) 24VDC 。預(yù)期的電壓和電流都在 1N4001 二極管的設(shè)計(jì)最大值之內(nèi)。

感應(yīng)回?fù)簦↖nductive Kick）和反激二極管

電感中的磁場會(huì)儲(chǔ)存能量。當(dāng)我們關(guān)閉晶體管Q2時(shí)，磁場會(huì)崩潰，從而在K1線圈上產(chǎn)生電壓尖峰。如果我們把繼電器（或更準(zhǔn)確地說，是繼電器內(nèi)部的電感）想象成一個(gè)人，我們可以說電感在晶體管Q2關(guān)閉前后都試圖保持電流恒定。

電感與“恒定電流”作用相關(guān)的特性會(huì)產(chǎn)生電壓。如果不加以控制，這個(gè)電壓會(huì)上升到幾百伏甚至上千伏，以維持電流。過高的電壓會(huì)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(qū)動(dòng)器（Q2）來控制繼電器。請花點(diǎn)時(shí)間觀察這個(gè)電壓尖峰的極性。許多讀者可能會(huì)基于之前用低邊NPN晶體管驅(qū)動(dòng)的繼電器實(shí)驗(yàn)，而假設(shè)這個(gè)尖峰是正的。但在這個(gè)例子中并非如此。相反，當(dāng)Q2關(guān)閉時(shí)，在Q2集電極測得的電壓會(huì)立即從24伏直流電壓變?yōu)樨?fù)電壓。這個(gè)尖峰的幅度只受到電阻R4和二極管D4正向傳導(dǎo)的限制。請參考上面電路圖，確保你明白當(dāng)Q2集電極變?yōu)樨?fù)電時(shí)，二極管D4是正向偏置的。

R4短路時(shí)的結(jié)果

大多數(shù)系統(tǒng)都不會(huì)額外添加電阻R4，而是直接將續(xù)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(shí)驗(yàn)用的工業(yè)繼電器，就包含一個(gè)可選的二極管模塊4，如下圖所示。

圖8. 實(shí)驗(yàn)中所用Finder繼電器的續(xù)流二極管和LED指示模塊

這個(gè)并聯(lián)二極管使用起來既有效又簡單。但遺憾的是，它會(huì)導(dǎo)致繼電器打開速度變慢。這是因?yàn)槔^電器的打開速度與其電感時(shí)間常數(shù)有關(guān)，而電感時(shí)間常數(shù)由下面的公式?jīng)Q定：

其中，L是繼電器線圈的電感，R是繼電器內(nèi)部電阻。與原始驅(qū)動(dòng)電壓（本例為24伏直流電壓）相比，二極管實(shí)際上相當(dāng)于短路。

回想一下你在學(xué)校學(xué)到的電容放電電路，當(dāng)時(shí)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(chǔ)存在電感器的磁場中，當(dāng)與電源斷開時(shí)，端子就會(huì)短路，所有能量都在電感器內(nèi)部電阻和少量二極管中消耗掉。

結(jié)果如下圖所示，包含三個(gè)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(lán)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(lán)色軌跡（CH 2）是繼電器常閉觸點(diǎn)測得的電壓。這個(gè)常閉觸點(diǎn)正在由斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)為關(guān)閉狀態(tài)。

下面板：藍(lán)色軌跡（CH 2）是繼電器常開觸點(diǎn)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(diǎn)

根據(jù)上圖的數(shù)據(jù)，我們觀察到：

當(dāng)常開觸點(diǎn)切換時(shí)，首先在8毫秒觀察到銜鐵運(yùn)動(dòng)。

從8毫秒到9.5毫秒是1.5毫秒的“飛行時(shí)間”。在這段時(shí)間里，無論是常開觸點(diǎn)還是常閉觸點(diǎn)都沒有與電路連接。

在9.5毫秒時(shí)，首先與常閉觸點(diǎn)接觸。

從9.5毫秒開始，觸點(diǎn)彈跳持續(xù)4.5毫秒，直到14毫秒。

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

與前面的文章相比，帶有并聯(lián)續(xù)流二極管的繼電器打開速度較慢。在這個(gè)L/R系統(tǒng)中，繼電器從激活到最終彈跳需要8.8毫秒，我們定義這個(gè)時(shí)間為t0。它關(guān)閉需要14毫秒。

如果你想提高繼電器提高打開速度，請看下面內(nèi)容：

繼電器知識(shí)點(diǎn) - 繼電器的打開時(shí)間需要多長?

5. 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn) 我們是不是走進(jìn)了死胡同？

工程師們的集體智慧告訴我們，繼電器更快地?cái)嚯娛且粋€(gè)值得追求的目標(biāo)。工作原理是線圈能量耗散會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)更快移動(dòng)。這應(yīng)該能延長繼電器的使用壽命，因?yàn)楦煲苿?dòng)的觸點(diǎn)能更好地熄滅負(fù)載下觸點(diǎn)打開時(shí)自然形成的電弧。

不幸的是，這個(gè)有限的實(shí)驗(yàn)并不支持這個(gè)理論。相反，它表明繼電器的飛行時(shí)間與L/nR時(shí)間常數(shù)關(guān)系不大。回想一下，我們定義飛行時(shí)間為雙極觸點(diǎn)的時(shí)間，即銜鐵在運(yùn)動(dòng)但沒有與常閉或常開觸點(diǎn)連接的時(shí)間。

這種矛盾的想法也得到了接觸彈跳時(shí)間和彈跳特征的支持。就像一個(gè)籃球，移動(dòng)更快的觸點(diǎn)不是有更多的動(dòng)能，導(dǎo)致它跳得更高，持續(xù)彈跳更長時(shí)間嗎？但看起來并不是這樣。

對(duì)此，你有何看法？

審核編輯：黃飛