如何使用反激二極管防止繼電器燒壞

感應(yīng)負(fù)載，例如螺線管和接觸器，可能會(huì)導(dǎo)致電弧和故障回到機(jī)電開(kāi)關(guān)設(shè)備，從而導(dǎo)致代價(jià)高昂的停機(jī)時(shí)間。該解決方案比您想象的要便宜。

想象一下這樣一個(gè)場(chǎng)景，PLC 的繼電器輸出卡被用于驅(qū)動(dòng)大型液壓缸的直流螺線管。每隔幾個(gè)月，卡就會(huì)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致停機(jī)和更換中繼卡的不必要費(fèi)用。

什么是反激電壓？

用電移動(dòng)開(kāi)關(guān)或柱塞的設(shè)備使用電磁學(xué)的概念，其中線圈在消耗電流的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。該磁鐵的強(qiáng)度足以移動(dòng)金屬瓣甚至彈簧柱塞。更大的負(fù)載需要更多的電流。

當(dāng)這個(gè)電磁鐵產(chǎn)生時(shí)，磁場(chǎng)被儲(chǔ)存在負(fù)載內(nèi)部。換句話說(shuō)，您使用電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，并且磁場(chǎng)現(xiàn)在存儲(chǔ)在該柱塞內(nèi)。當(dāng)線圈電流“關(guān)閉”時(shí)，存儲(chǔ)在柱塞內(nèi)的磁場(chǎng)仍然存在，并且在短時(shí)間內(nèi)，它試圖在線圈上產(chǎn)生電壓。

什么時(shí)候反激電壓好？

在某些情況下，這種產(chǎn)生的反向電壓是一個(gè)非常有用的特性。汽車中的火花塞的工作原理是，電池的 12 伏電壓在精確的時(shí)刻為線圈供電（來(lái)自分配器、電子線圈組，甚至每個(gè)插頭上的線圈）。當(dāng)電池電壓被移除時(shí)，線圈試圖通過(guò)電路驅(qū)動(dòng)電流 - 在這里，提供的路徑正好穿過(guò)火花塞的間隙。

但是 12 伏的電壓不足以產(chǎn)生跨越幾毫米的火花。幸運(yùn)的是，線圈產(chǎn)生的電壓比原始充電電壓大很多倍，電流只持續(xù)片刻，直到磁場(chǎng)崩潰。

圖 1.顯示螺線管負(fù)載和典型反激二極管之間極性關(guān)系的電路原理圖，在這種情況下很常見(jiàn)。后面會(huì)顯示一個(gè)實(shí)際的接線示例。

什么時(shí)候反激電壓不好？

回到工業(yè)環(huán)境中，反向電壓比原始電壓大很多倍的事實(shí)令人擔(dān)憂。如果控制電路為 24 伏，則反向反激電壓可能遠(yuǎn)高于 100 伏。如果電路中有一個(gè)小間隙，這肯定足以產(chǎn)生相當(dāng)大的火花?；鸹ㄈc(diǎn)燃燃料可能很有用，但在控制系統(tǒng)中卻很危險(xiǎn)。

差距以機(jī)電控制裝置的形式存在，即開(kāi)關(guān)和機(jī)械繼電器。當(dāng)繼電器或開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)打開(kāi)時(shí)，間隙會(huì)在幾毫秒內(nèi)從零增加到幾毫米，從而為理想的火花間隙提供充足的時(shí)間來(lái)產(chǎn)生可見(jiàn)的電弧。

我在一個(gè)關(guān)燈的控制柜內(nèi)看到了這種現(xiàn)象，透明冰塊繼電器內(nèi)部火花的視覺(jué)顯示非常引人注目。如果繼電器很小，比如PLC 繼電器輸出卡上的繼電器，火花會(huì)很快使繼電器劣化，導(dǎo)致頻繁故障。

圖 2.與 DIN 安裝 4PDT 繼電器相比，電路板繼電器的小尺寸顯示了這些設(shè)備的相對(duì)敏感程度。

如果您似乎在模塊上不斷有單個(gè) I/O 點(diǎn)出現(xiàn)故障，但電流卻在額定限制范圍內(nèi)，那么罪魁禍?zhǔn)卓赡苁侵绷鞴╇姷木€圈設(shè)備在斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花。

如何防止反激電壓？

有幾種方法可以防止這種有問(wèn)題的現(xiàn)象。有些是涵蓋癥狀的簡(jiǎn)單、廉價(jià)的解決方案，但其他解決方案可以完全預(yù)防問(wèn)題。

緩沖二極管和電路

這些小型、廉價(jià)的設(shè)備有幾個(gè)名稱：緩沖、反激、續(xù)流、浪涌、保護(hù)等。它們可以從電子零件分銷商處以幾美分的價(jià)格批量訂購(gòu)，其中“整流二極管”這個(gè)名稱表示所需的理想穩(wěn)健等級(jí)。

圖 3.繼電器左側(cè)的兩個(gè)二極管 - 頂部是來(lái)自組件分??配器的 1N4001，下部是專用于繼電器插座的模型。

許多制造商意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了集成解決方案，將二極管直接安裝到接線盒的接線中或直接安裝在基于線圈的設(shè)備內(nèi)部。只需尋找“二極管”一詞，并確保以正確的極性安裝。

二極管是只有兩根導(dǎo)線的固態(tài)器件，電流只能單向流動(dòng)。它們與感性負(fù)載并聯(lián)安裝，因此當(dāng)負(fù)載從控制器通電時(shí)，二極管反向偏置，不允許電流繞過(guò)自身。

圖 4.一個(gè)示例電路，顯示一個(gè)二極管連接到一個(gè)雙電平接線端子。Red/Black 和 Blu/WhtBlu 用于顯示負(fù)載的極性，與二極管相比（注意二極管主體上的灰色條紋）。

然而，在控制電壓被移除的那一刻，磁場(chǎng)試圖在線圈上產(chǎn)生電壓，線圈現(xiàn)在幾乎就像一個(gè)高壓電池。瞬間，這個(gè)正向偏置二極管，允許電流在一個(gè)短回路中流動(dòng)，線圈到二極管。二極管能夠在很短的時(shí)間內(nèi)承受大電流，因此磁場(chǎng)（和電流）會(huì)在眨眼間安全地耗盡。

因?yàn)槎O管將電壓保持在 1 伏以下，所以電壓永遠(yuǎn)不會(huì)增加到產(chǎn)生火花的水平，因此消除了對(duì)危險(xiǎn)的恐懼。

二極管的一種變體是電阻-電容 （RC） 串聯(lián)電路，允許場(chǎng)以可預(yù)測(cè)的速率放電。該電路也可以與控制裝置并聯(lián)安裝，允許電流在開(kāi)關(guān)或繼電器觸點(diǎn)周圍無(wú)害地排出。

固態(tài)開(kāi)關(guān)器件

可以購(gòu)買帶有直流輸出而不是繼電器輸出的 PLC 輸出模塊。對(duì)于某些情況，這可能是一種有效的解決方案，但繼電器輸出的優(yōu)點(diǎn)是大型螺線管所需的高電流額定值。許多直流輸出卡根本無(wú)法處理這么大的電流。

直流輸出模塊通過(guò)限制反向電壓電弧危險(xiǎn)的晶體管提供電流。在非常短的時(shí)間內(nèi)具有高度的斷態(tài)電阻和高電壓容差，只有極高的持續(xù)電壓尖峰才會(huì)成為終端情況。但是驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需的大電流絕不是短暫的，并且對(duì)于正常的晶體管輸出來(lái)說(shuō)是（并且經(jīng)常聞到）麻煩。

交流供電負(fù)載

雖然 24 伏直流是常見(jiàn)的控制電壓，但反激現(xiàn)象會(huì)隨著交流電壓而消失，因?yàn)殡姼芯€圈沒(méi)有充電到恒定值，然后在斷電時(shí)突然放電。

許多螺線管可以找到120 AC和24 AC電壓，安裝和故障排除方法基本保持不變，繼電器卡仍然可以使用。顯然，電壓源的變化和設(shè)備的更換可能會(huì)導(dǎo)致不希望的停機(jī)時(shí)間，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看可能值得您花時(shí)間。