繼電器打開與關閉需要多長時間?

有太多的因素影響這個問題，確實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電感的變化、飛行時間、接觸反彈和電壓的影響，來探索繼電器的屬性。

希望本文能對你有所幫助。

1. 什么是繼電器？

我們以在工業應用中經常使用的插入式“繼電器”為例。即繼電器被“插入”在兩個系統之間。

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 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24VDC 的接觸器（DPE09BL）。

技術小貼士:關閉大型直流接觸器或繼電器可能是一個有壓力的事。回想一下，線圈在磁場中儲存能量。還記得電感器“想”保持電流恒定。其結果被稱為感應踢腳（inductive kick ），在線圈斷電的那一刻，電感器會做任何必要的事情來保持電流恒定。如果沒有相關的保護，電壓將上升到數百伏，造成電弧來維持電流。這將破壞任何用于控制線圈的半導體開關。浪涌抑制二極管通常被合并，以提供電流的替代路徑。

更多內容，請看：

什么是插入式繼電器？

下面，我們來看看打開關閉繼電器開關，具體要多少時間？

2.繼電器測試電路

首先，我們來搭建一個繼電器打開關閉時間的測試電路。

硬件部分：

一個工業繼電器46.52加插座

一個Arduino Nano Every來切換驅動

一個Digilent示波器ANALOG DISCOVERY

探頭 BNC 適配器

10x 探頭，允許測量高達 +/- 250 VDC的模擬電壓

圖2: 繼電器打開關閉時間的測試電路

3.繼電器關閉時間測試

3.1繼電器關閉測試原理解析：

這個繼電器驅動器看起來可能設計得有點復雜，但實際上高邊驅動器Q2是必要的，它能把繼電器接地。這樣，我們就可以安裝一個小值的分流電阻R5。因為這個電阻在接地位置，所以我們可以很容易地測量繼電器電流，就像測量一個已知電阻上的小電壓降一樣。

電路的其他部分包括電平轉換晶體管Q1，以及通過常閉（常閉）和常開（N.O.）指示LED來檢測繼電器狀態的方式。

別忘了繼電器線圈上的D1反饋二極管。當繼電器關閉時，這個二極管可以保護晶體管Q2。這個二極管對繼電器打開沒有影響，但對繼電器關閉有重要作用。

圖3：繼電器關閉測試原理圖

技術小貼士：繼電器常開 (N.O.) 與常閉 (N.C.) 觸點的區別

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

圖4. 常開、常閉繼電器實驗示意圖

圖5. Finder(46系列)繼電器

更多信息：

簡單的實驗: 繼電器常開 (N.O.) 與常閉 (N.C.) 觸點的區別

3.2測試結果：

結果如下圖 所示。有三個面板：

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。藍色曲線（CH 2）是R5分流電阻處測得的繼電器電流。

中面板：藍色曲線（CH 2）是繼電器常閉觸點處測得的電壓。

下面板：藍色曲線（CH 2）是繼電器常開觸點處測得的電壓。

技術提示：Analog Discovery 3 作為雙通道示波器運行。當配備 10 X探頭時，它能夠測量高達 +/- 250VDC 的信號。如果使用 4 通道示波器，則下圖的復合圖可以構建為單個屏幕截圖。

圖6. 繼電器的激活波形，包括線圈的電流，常閉和常開觸點電壓

根據上圖數據，我們觀察到：

電樞運動首次觀察到在 4.7ms 時，常閉觸點切換。

從4.7ms 到 7.6ms 有 2.9ms 的飛行時間。在這個“飛行時間”中，常閉和常開觸點都沒有連接到電路。

與常開觸點的第一次接觸發生在 7.6ms。

從7.6ms 開始一直延伸到8.8 ms，觸點反彈 1.2ms 。

除了這些觸點的變化，繼電器電流中有一個微妙的下降。這發生在電樞運動時。推測，繼電器電感變化，因為電樞的鐵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，如果電樞對著線圈保持在位置上，這種擾動就不會發生。

如果你想了解繼電器關閉速度，請看下面內容：

繼電器知識點 -繼電器的關閉需要多長時間?

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不一樣。對高側驅動程序和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，因為當繼電器停用時，我們將遇到更高的電壓。R4 電阻移動，使其與反激二極管 D1 串聯。

圖7. 繼電器打開測試原理圖

技術小貼士:你可能會反對在這種高壓情況下使用 1N4001 二極管。畢竟繼電器 K1 的感應反打會發展到近 100V。然而，在這種情況下，1N4001 二極管并沒有受到壓力，因為當繼電器斷電時，它會傳導約 0.7VDC 的二極管降。在正向方向上，它將遇到一個 24VDC 。預期的電壓和電流都在 1N4001 二極管的設計最大值之內。

感應回擊（Inductive Kick）和反激二極管

電感中的磁場會儲存能量。當我們關閉晶體管Q2時，磁場會崩潰，從而在K1線圈上產生電壓尖峰。如果我們把繼電器（或更準確地說，是繼電器內部的電感）想象成一個人，我們可以說電感在晶體管Q2關閉前后都試圖保持電流恒定。

電感與“恒定電流”作用相關的特性會產生電壓。如果不加以控制，這個電壓會上升到幾百伏甚至上千伏，以維持電流。過高的電壓會破壞晶體管Q2，除非它被鉗制住。

請注意，我們正在使用高邊驅動器（Q2）來控制繼電器。請花點時間觀察這個電壓尖峰的極性。許多讀者可能會基于之前用低邊NPN晶體管驅動的繼電器實驗，而假設這個尖峰是正的。但在這個例子中并非如此。相反，當Q2關閉時，在Q2集電極測得的電壓會立即從24伏直流電壓變為負電壓。這個尖峰的幅度只受到電阻R4和二極管D4正向傳導的限制。請參考上面電路圖，確保你明白當Q2集電極變為負電時，二極管D4是正向偏置的。

R4短路時的結果

大多數系統都不會額外添加電阻R4，而是直接將續流二極管跨接在繼電器線圈上。這種配置非常常見，比如這次實驗用的工業繼電器，就包含一個可選的二極管模塊4，如下圖所示。

圖8. 實驗中所用Finder繼電器的續流二極管和LED指示模塊

這個并聯二極管使用起來既有效又簡單。但遺憾的是，它會導致繼電器打開速度變慢。這是因為繼電器的打開速度與其電感時間常數有關，而電感時間常數由下面的公式決定：

其中，L是繼電器線圈的電感，R是繼電器內部電阻。與原始驅動電壓（本例為24伏直流電壓）相比，二極管實際上相當于短路。

回想一下你在學校學到的電容放電電路，當時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。能量儲存在電感器的磁場中，當與電源斷開時，端子就會短路，所有能量都在電感器內部電阻和少量二極管中消耗掉。

結果如下圖所示，包含三個面板：

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：藍色軌跡（CH 2）是繼電器常閉觸點測得的電壓。這個常閉觸點正在由斷開狀態轉為關閉狀態。

下面板：藍色軌跡（CH 2）是繼電器常開觸點測得的電壓。

圖9. 繼電器的斷電波形，包括線圈電流、常閉和常開觸點

根據上圖的數據，我們觀察到：

當常開觸點切換時，首先在8毫秒觀察到銜鐵運動。

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

在9.5毫秒時，首先與常閉觸點接觸。

從9.5毫秒開始，觸點彈跳持續4.5毫秒，直到14毫秒。

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

與前面的文章相比，帶有并聯續流二極管的繼電器打開速度較慢。在這個L/R系統中，繼電器從激活到最終彈跳需要8.8毫秒，我們定義這個時間為t0。它關閉需要14毫秒。

如果你想提高繼電器提高打開速度，請看下面內容：

繼電器知識點 - 繼電器的打開時間需要多長?

5. 經驗教訓 我們是不是走進了死胡同？

工程師們的集體智慧告訴我們，繼電器更快地斷電是一個值得追求的目標。工作原理是線圈能量耗散會導致觸點更快移動。這應該能延長繼電器的使用壽命，因為更快移動的觸點能更好地熄滅負載下觸點打開時自然形成的電弧。

不幸的是，這個有限的實驗并不支持這個理論。相反，它表明繼電器的飛行時間與L/nR時間常數關系不大。回想一下，我們定義飛行時間為雙極觸點的時間，即銜鐵在運動但沒有與常閉或常開觸點連接的時間。

這種矛盾的想法也得到了接觸彈跳時間和彈跳特征的支持。就像一個籃球，移動更快的觸點不是有更多的動能，導致它跳得更高，持續彈跳更長時間嗎？但看起來并不是這樣。

對此，你有何看法？

審核編輯：黃飛