带二极管的电涌保护继电器建模

在这组继电器中使用二极管可以抑制开关时的电压浪涌

高压系统中的继电器、断路器和其他类型的开关似乎提供了绝对可靠的保护，但引擎盖下有一个简单的电路使这成为可能。还记得你在大学电子学课上玩的那些模拟元件吗?当以一种看似简单的方式连接时，一个继电器二极管电路当继电器被触发时，提供高压保护。

这个电路依靠两个元件:二极管和电感。对于中低电压尖峰，一些基本的现成组件将提供显著的过电压保护。由于该电路本质上是非线性的，特别是在存在强电压尖峰时，您需要模拟您的设计以确定其工作极限。以下是如何设计带有二极管电路的继电器以及评估设计所需的分析工具。

用二极管电路定义继电器

每一个接力都包含三个重要元素:

• 开关:虽然看起来平淡无奇，但开关实际上对于提供没有开关反弹(在继电器领域称为颤振)的电接触非常重要。开关弹跳发生在低质量的开关中，当开关被抛出时，电触点有效地振动。一个开关通过继电器线圈发送电流，要么是机械的(固态继电器)，要么是电的(机电继电器)，带有晶体管或螺线管开关。

• 继电器线圈:一旦继电器线圈接通，它激活第二个开关，负责在常闭(NC，或OFF状态)和常开(NO，或on状态)位置之间移动电枢。继电器线圈的这种开关使电流能够流向负载。

• 二极管二极管负责提供瞬态电压抑制。二极管背后的想法是确保在继电器切换时状态之间的平稳过渡，从而抑制任何瞬态电压尖峰。当继电器关闭时，二极管为继电器中的任何瞬态提供低阻抗路径，有效地将任何电流和电压尖峰从开关电路中转移出去。

无论您是使用机电继电器还是固态继电器，您的继电器电路都应该包括一个与继电器线圈并联的二极管。具有二极管配置的继电器在继电器被激活时提供瞬态电压抑制，从而防止继电器中的浪涌电流烧坏开关电路。当下图所示的继电器电路被晶体管触发时，这一点尤为重要(想象一个晶体管取代电池旁边的开关)。

原理图显示一个基本的继电器与二极管电路

当继电器闭合时，有一个电流浪涌，外加电压驱动二极管进入反向偏置。低阻抗路径直接通过继电器线圈，它的作用就像一个电感。线圈有一些固有的直流电阻，电感和线圈一起确保平稳过渡到高压。这在高压应用中尤其重要，因为快速上升到高压可能会损坏开关。

同样，一旦继电器打开，线圈中的磁场开始减小，产生指向二极管阳极的反电动势。这将驱动二极管进入正偏置，为瞬态电流提供低阻抗路径，通过线圈和二极管形成电流的圆形环路。的直流电阻线圈的电流慢慢地将反电动势降至零。同样，这可以防止电压/电流的大尖峰损坏用于开关继电器的任何敏感电路。

瞬态电压抑制继电器电路建模

由于这些电路设计用于抑制继电器开关时的瞬态电压尖峰，因此需要使用瞬态分析来分析电压尖峰的行为以及继电器电感和电阻随时间的衰减情况。在这个设计师看来，在基于spice的模拟器中做到这一点的最简单方法是使用分段直流电源。使用分段电源可以为电路中的源电压定义一个特定的过渡时间。你的目标是运行一个瞬态分析仿真并检查负载随时间变化的电压。观察在负载上看到的电流和在负载中耗散的功率也是一个好主意。

带有二极管电路的继电器的电路模型。差分电压和电流测量探头显示在这个模型中。

由于二极管的作用就像一个非线性电阻，因此很难立即确定瞬态响应如何随时间衰减。如果你想用手算的话，你必须用数值方法解一个相当复杂的时间相关超越方程。使用分段电压源可以迭代多个不同的上升时间来定义各种脉冲强度。您还可以对继电器线圈的电感和电阻进行参数扫描，以检查其阻尼的有效性。

请务必检查您要使用的继电器的数据表，以便获得继电器线圈的电感和电阻。典型的继电器线圈电感值在mH范围内，典型线圈电阻值在10欧姆范围内。通过迭代各种电阻和电感值，您可以确定在您的电路中使用的候选替代继电器，以防您所需的继电器不能提供正确的保护水平。

你还应该表演冒烟测试检查理想继电器中的元件在运行过程中是否烧坏。这需要在模拟中指定功耗额定值，尽管在使用正确的模拟工具时这很容易。然后，您可以确定哪些组件将首先失效，并用更具弹性的组件替换它们。

建立和建模一个继电器与二极管电路是容易得多，当你使用正确的PCB设计与分析软件包中。中的布局和仿真工具OrCAD PSpice模拟器和全套分析工具从节奏是构建和分析电压抑制系统的瞬态行为及其耐久性的理想选择。上面列出的烟雾测试只有通过PSpice的智能模拟才能实现。当您准备为系统采购组件并投入生产时，您还可以访问制造商零件搜索工具。

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