继电器的关闭究竟需要多长时间?

作者：时间：2024-03-25来源：Digikey收藏

原因是有太多的因素影响这个问题，确实没有明确的答案可以给出。然而，有一些有趣的经验教训，可以学习继电器行为和物理学，包括电枢物理接触电磁铁芯时电感的变化、飞行时间、接触反弹和电压的影响。有了继电器动力学知识，您可以更好地了解继电器的各种参数特性并改进您的下一个设计。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202403/456781.htm

测试电路

为了回答这个问题，我们可以使用图1 所示的设置进行实验，并附带图2 的示意图。该设置包括一个具有代表性的工业继电器加插座，如示意图所示的继电器驱动器，以及一个 Arduino Nano Every 来切换驱动器的开和关。一个 Digilent 示波器 ANALOG DISCOVERY 3，探头适配器，和 10个 X探头用于记录信号。

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图1：测试设置，以测量继电器激活时间。

继电器驱动器可能看起来是过度设计的。然而，Q2 高侧驱动器(源配置)是必要的，以参考继电器到地面。这允许安装一个小值分流电阻 (R5) 。这个电阻器接地，很容易测量继电器电流作为一个小的电压降通过一个已知的电阻器。电路的其余部分由电平移位晶体管 Q1 和检测继电器状态的方法通过常闭 (N.C.)和常开 (N.O.) 指示灯 LED 组成。让我们不要忘记放置在继电器线圈上的D1反激二极管。当继电器失效时，二极管是必要的保护晶体管 Q2。要理解，这个二极管对继电器的激活没有影响，但它对继电器闭合有深刻的影响。也许在未来我们可以回答一个有关打开继电器所需时间的问题。

图2：示意图，具有高侧PNP继电器驱动器(Q2)和电流分流器(R5) 。

结果

结果如图3 所示。有三个面板：

上部：橙色迹线 (CH 1) 是继电器激活电压测量在Q2集电极。蓝色迹线 (CH 2) 是继电器电流测量通过 R5 分流电阻。
中部：蓝色迹线 (CH 2) 是继电器常闭触点上测量的电压。
下部：蓝色迹线 (CH 2) 是继电器常开触点上测量的电压。

技术提示： Analog Discovery 3 作为双通道示波器运行。当配备 10 X探头时，它能够测量高达 +/- 250VDC 的信号。如果使用 4 通道示波器，则图 3 的复合图可以构建为单个屏幕截图。

图3：继电器的激活波形，包括线圈的电流，常闭和常开触点。

根据图 3数据，我们观察到：

电枢运动首次观察到在 4.7ms 时，N.C. 触点切换。
从 4.7ms 到 7.6ms 有 2.9ms 的飞行时间。在这个“飞行时间”中，N.C. 和N.O. 触点都没有连接到电路。
与 N.O. 触点的第一次接触发生在 7.6ms。
从 7.6ms 开始一直延伸到8.8毫秒，触点反弹 1.2ms 。

除了这些触点的变化，继电器电流中有一个微妙的下降。这发生在电枢运动时。推测，继电器电感变化，因为电枢的铁板与线圈的金属芯有物理接触。线圈电感的突然变化扰乱了继电器电流的缓慢斜坡。注意，如果电枢对着线圈保持在位置上，这种扰动就不会发生。

提高闭合速度

为了提高继电器闭合的速度，我们可以对步进电机驱动器应用一些技巧。这是同样的问题：我们如何将电流强加到电感器中。回想一下，电感器的时间常数 (τ) 定义为

$τ = \frac{L}{R}$

我们选择的电感器，无论是继电器还是步进电机线圈，都有固定的电感。它也有固定的电阻。然而，没有什么能阻止我们通过实现 L/nR 系统(其中 n 是线圈电阻的乘数)来增加额外的外部电阻以降低 τ。例如，我们可以将串联电阻加倍。这个 L/2R 系统已经将 τ 削减了2倍。同样，L/4R 系统将将 τ 减少4倍。

这种外部电阻的惩罚是额外的电压和浪费的功率。我们的 24VDC 继电器将需要 48VDC 的 L/2R 和 96VDC 的 L/4R。继电器功率增加了 2倍和 4倍。
让我们退后一步，认识到继电器的 L/4R 系统正在进入疯狂的领域。另一方面， 96VDC 的 PWM 驱动器也不是不可能的。这将允许响应磁场建立，具有在初始爆发后将 PWM 节流到低“保持”水平的能力。
话虽如此，让我们看看如何改善情况与 L/2R 系统。在这个实验中，我们将增加 R4 如图2 示意图。我们还将增加电源电压至 48VDC。结果见图 4。

图4：在L/2R环境下运行时，继电器的激活波形。

请注意，图3 和图4 的稳态电流是相同的。虽然我们确实增加了两倍的电压，但 R4 系列电阻器与线圈电阻大致相同。因此，他们形成了一个平衡的电压分压器。

图 4 中显示的结果较图 3 有显着改进。最显著的变化是改变 N.C.接触的时间。它已经从4.7ms 改变到 2.4ms。这是由 L/2R 计算的 2倍加速。观察到飞行时间略有减少，但反弹时间有轻微但不是必然的改进。这表明电感(磁场的累积)是继电器激活的限制因素。弹簧张力和金属对金属反弹的物理是相对一致的。

再次，请注意继电器电流的下降。这是由于电感的变化，由于金属电枢“吸引”板接近继电器线圈。