此继电器电路中的反激二极管问题以及吸合和保持电流问题

电器工程 中继 齐纳 缓冲器 瞬态抑制 飞回来
2022-02-02 06:41:21

虽然这可能是一个基本问题,但我仍在努力解决它。在该示意图中,两个齐纳二极管 D1 和 D2 背靠背连接在继电器线圈 L1 上。Q1 的 BVds = -30V。我可以为 D1 和 D2 使用 15V(Vz = 15V) 齐纳管而不是 5.1 V 齐纳管吗?继电器关断时继电器线圈或触点会损坏吗?如果需要,我正在使用这个继电器(5V DC 标准线圈)。

示意图

此外,为了减少继电器线圈的稳态电流消耗,我想使用示意图中显示的 RC ckt。一旦 Q1 开启,未充电的电容器会暂时显示为完全短路,从而导致最大电流流过继电器线圈并关闭继电器触点而不会产生颤振。然而,当电容器充电时,继电器线圈两端的电压和电流都会下降。当电容器充电到所有通过继电器线圈的电流都流过 R1 时,电路达到稳定状态。在移除驱动电压之前,触点仍将保持闭合。

这是放置此 RC ckt 的最佳位置 - 在示意图中标记为“A”或“B”的部分。会有什么不同吗?在我看来,B 部分是最好的选择,因为当 Q1 关闭时,电容器 C1 可以通过 R1 接地放电。当我将 RC ckt 放置在 A 部分时,C1 将如何放电?我在这里错过了什么吗?放置这个 RC ckt 有副作用吗?有更好的解决方案吗?

如果我错了或遗漏了什么,请纠正我?

2012年 7 月 9 日更新 1:

在上面的示意图中说我有 6V DC 标准线圈(见上面的数据表),48.5 欧姆继电器。并以 C1 = 10uF 为例。假设 R1C1 ckt 放置在上图中的 A 部分。电源为+5V。

对于继电器线圈上 3V(保持电压)的下降,电流必须约为 62mA。通过线圈。因此,稳态时 R1 的压降为 2V。对于稳定状态下通过继电器线圈的 62mA 电流,R1 必须为 32.33 ohm。

C1 上的电荷为 2V x 10uF = 20uC,处于稳态。

现在在这个数据表中,操作时间被指定为最坏情况下的 15ms。根据以上数据,我们得到 RC = 48.5ohm x 10uF = 0.485 ms。因此,一旦 Q1 开启,C1 将在 2.425 毫秒内几乎充满电。

现在我怎么知道这 2.425 毫秒的持续时间足以让继电器闭合其触点?

同样,一旦 Q1 关闭,由于齐纳二极管 D2(Vz = 3.3V) 加上二极管 D1 的 0.7V 压降产生并钳位到 3.3V 的反电动势,C1 两端的电压将为 -2V + (-3.3 V - 0.7V) = -2V。但是 C1 上的电荷仍然是 20uC。由于电容是恒定的,因此在关闭 Q1 后,随着 C1 两端的电压立即从 +2V 降至 -2V,电荷必须减少。
不是违反Q=CV吗?

此时,由于反电动势而流过继电器线圈的电流将为 62mA,与关闭 Q1 之前的方向相同。

这 62mA 的电流会为 C1充电放电吗?一旦 Q1 关闭,C1 上的电压为 6V,对吗?我不知道一旦 Q1 关闭,电流将如何流过 R1、C1、D1、D2 和继电器线圈。

有人可以阐明这些问题吗?

2012年 7 月 14 日更新 2:

“电感中的电流不会瞬间改变” - 虽然有一个反激二极管 D1(比如说,D1 不是齐纳二极管,而是一个小信号或肖特基二极管,并且齐纳二极管 D2 在上面的示意图中被移除),但只要 Q1被关闭,甚至不会有电流尖峰(即使是几个usecs)?

我问这个问题,如果有一个电流尖峰,那么如果我选择一个最大正向峰值额定电流为大约只有200mA左右。

62mA 是 Q1 导通时流过继电器线圈的电流量。那么,在Q1 关闭后,通过继电器线圈的电流是否永远不会超过 62mA - 甚至不会超过片刻(比如对于某些用秒) ?

2个回答

您可以将 RC 放置在 B 侧或 A 侧。当组件串联放置时,它们的顺序对工作无关紧要。

关于二极管。当您关闭继电器时,它会在 FET 的漏极上产生(可能很大)负电压,并且使用反激二极管将该电压限制为 0.7 V 二极管压降。所以二极管不能用来保护线圈,而是用来保护 FET。如果您使用 15 V 齐纳二极管,则使用齐纳二极管将使该电压达到 -5.7 V 或 -15.7 V。没有理由在这里冒险,即使 FET 可以处理 -30 V。所以我只会使用整流器或信号二极管,甚至更好的是肖特基二极管。

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您确实可以使用齐纳二极管(与普通二极管组合,D1 不必是齐纳二极管)来减少关闭时间,泰科也在本应用笔记中提到它,但我没有阅读就好像他们坚持一样。第一个链接中的示波器图像显示关闭时间显着减少,但测量的是停用继电器和第一次打开触点之间的时间,而不是第一次打开和返回到静止位置之间的时间,这将变化少得多。

重新编辑6 V 继电器和 RC 电路
就像我在这个答案中所说,您可以在低于其额定电压的情况下操作继电器,并且由于其工作电压为 4.2 V,6 V 版本的继电器也可以在 5 V 下使用。如果您使用不高于 9 Ω 的串联电阻,您将获得 4.2 V,然后您不需要电容器(请注意 5 V 的容差!)。如果你想走低,你就靠你自己;数据表没有给出必须保持的电压。但是假设这将是 3 V。然后您可以使用 32 Ω 的串联电阻,并且您需要电容器来激活继电器。

操作时间最长为 15 ms(很长),因此当电容器充电时,继电器电压在开启后 15 ms 之前不应低于 4.2 V。

在此处输入图像描述

现在我们必须为此计算 RC 时间。R 是继电器线圈电阻和串联电阻的并联(这是 Thévenin 的故障),因此为 19.3 Ω。然后

\$ 3 V + 2 V \cdot e^{\dfrac{- 0.015 ms}{19.3 \Omega \text{ C}}} = 4.2 V \$

求解 \$\text{C}\$ 可以得到 1500 µF 最小值。

重新关闭:
您不能违反 Q = CV,这是法律。您的钳位电压为 3.3 V + 0.7 V = 4 V。这意味着当您关闭 FET 时,电容器的低端会瞬间被拉至 -4 V,并迅速再次上升至 0 V。高端为 2 V 更高,并且在电容器通过并联电阻放电时将简单地跟随 4 V 下降。电容器甚至不会注意到下降。放电时间常数为 1500 µF \$\times\$ 32 Ω = 48 ms,则电容器将在 220 ms 内放电至 20 mV(其初始值的 1%)。

62 mA 不会对电容器充电或放电。我们经常将基尔霍夫电流定律 (KCL) 应用于节点,但它也适用于区域:

在此处输入图像描述

在 C1 和 R1 周围画一个边界,你会看到只有一条通往外部世界的路径,因为通往 FET 的路径被切断了。由于总电流必须为零,因此不能有任何电流通过该唯一连接。线圈必须自己处理 62 mA,它通过使用齐纳二极管形成的回路来做到这一点。

继电器可以建模为具有显着串联电阻的电感器。当电感器中的电流达到一定水平时,触点将被“拉入”。当电流低于某个较低水平时,触点将被释放。

需要反激二极管的原因是电感器的行为,使用机械类比,作为“可移动的流体质量”。正如移动的物理质量不可能瞬间停止一样,移动的质量在撞击某物时产生的力与该物体试图施加给质量的加速度成正比,感应器也是如此。电感器中的电流不会立即变化,而是会以与通过它的电压成比例的速率变化。相反,电感两端的电压将与外力试图改变电流流过它的速率成正比。试图立即停止电感器中的电流的设备将无法立即停止它,

反激二极管的功能是通过晶体管以外的路径为电感器中的电流提供电流。电流必须在某个地方持续流动,至少要持续一段时间,而反激二极管提供了一条安全路径。一个简单的反激二极管的一个限制是它可能允许电流保持“过好”流动。电感中电流下降的速率与电感两端的电压降(包括隐含串联电阻中的电压降)成正比。电感两端的电压越低,电流下降所需的时间就越长。添加与反激二极管串联的齐纳二极管将增加电感电流下降的速率,从而缩短继电器关闭前的时间。