一種防止繼電器觸點受損的新穎保護電路設計

1 術語及定義

浪涌電流：用電設備在啟動瞬間產(chǎn)生的大電流；

旁路電路：旁路用電設備在啟動瞬間產(chǎn)生大電流的電路；

ESL：電容器的等效串聯(lián)電感；

ESR：電容器等效串聯(lián)電阻。

2 浪涌電流產(chǎn)生的原因

通常情況下，在設備加電時，電容器是產(chǎn)生浪涌電流的主要原因，原理示意圖見圖1。

上圖中K1閉合后，電容器C開始充電，若將直流電源、開關K1以及連接的導線看作理想狀態(tài)（直流電源可提供足夠大的電流且內(nèi)阻為零，K1接觸電阻為零，導線線阻為零），在電容器充電瞬間，產(chǎn)生的浪涌電流可根據(jù)公式1進行近似計算。

式中：I——浪涌電流

U——直流電源輸出電壓

ESR——電容器等效串聯(lián)電阻

雖然電容電器ESL對輸入浪涌電流有一定的抑制作用，但電感量較小，抑制作用也較小，可忽略。通常電容器ESR均比較小，例如，在100kHz下測量，液體鉭電容器的ESR一般為幾百毫歐，聚脂電容的ESR一般為幾十毫歐，而陶瓷電容的FSR一般為幾毫歐。所以在電容器加電瞬間，會產(chǎn)生較大的浪涌電流。

以上是針對電容器在加電瞬間產(chǎn)生的浪涌電流所進行的分析，若其它設備或元器件在加電瞬間與電容器具有類似特性，則同樣會產(chǎn)生較大的浪涌電流，如蓄電池在充電狀念下也會產(chǎn)生上百安培的浪涌電流。

3 旁路保護電路分析

浪涌旁路保護電路原理圖見圖2。

圖中：R1、R2、R3、R4、R5為電阻器；

C1、C2為鉭電容器；

G1為光耦器件；

VT1為P溝道MOSFET；

K1為繼電器觸點。

工作原理如下：

在驅動信號接通后，線圈加電，繼電器的吸合為機械動作過程，接通時間為5～15ms。

浪涌旁路保護電路與繼電器線圈同步接收驅動信號，G1導通前，VT1柵極電壓與功率線輸入正端電壓U1相等，VT1為截止狀態(tài)。

G1導通后，功率線輸入正端電壓U1經(jīng)R2、R3為電容C1充電，C1在充電開始階段，VT1柵極電壓通過公式1計算，忽略光藕器件的導通時間，此時VT1為導通狀態(tài)。

隨C1電壓不斷上升，VT1柵極電壓逐漸升高，當C1充電完成后，VT1柵極電壓與功率線輸入正端電壓U1相等，VT1為截止狀態(tài)，VT1管導通時間取決于R2、R3及C1參數(shù)與VT1管柵極閾值電壓，忽略光耦器件的導通時間（通常小于1μs），導通時間通過公式（2）計算。

式中：UGS（TH）為VT1管開啟電壓；

C為電容器C1容值；

U1功率線輸入正端電壓；

t為VT1為導通時間。

通常，繼電器驅動信號為脈沖信號，高電平持續(xù)時間t1為80ms，在脈沖信號為高電平時，忽略光藕器件的導通時間，VT1立即為導通狀態(tài)；在脈沖信號為低電平時，忽略光藕器件的截止時間，VT1立即為截止狀態(tài)。

根據(jù)以上分析，得到以下結果：

（1）在脈沖信號為高電平時，VT1立即導通；

（2）若通過公式（2）中計算出t小于驅動信號高電平持續(xù)時間t1，則VT1導通時間可通過公式2計算出。

（3）若通過公式（2）中計算出t大于驅動信號高電平持續(xù)時間t1，則VT1導通時間等于驅動信號高電平持續(xù)時間t1。

4 仿真驗證

利用SABER軟件，得到R5處電路仿真結果見圖3。

通過仿真，可以看出，MOSFET管導通時間為80ms左右。

5 實驗驗證

實驗邊界條件如下：

（1）取R2=15kΩ，R3=15kΩ，C1=4．7μF、C2=10μF、R5=2．7Ω；

（2）P溝道MOSFET型號為IRF5210；

（3）繼電器采用3JB20-3型繼電器，單觸點額定電流為15A，觸點動作時間為6．4ms，線圈額定電壓為28V；

（4）設定功率線輸入正端電壓U1=28V，未采用浪涌旁路保護電路時，流過繼電器觸點K1的電流波形見圖4。

實際測試結果如下：

（1）脈沖驅動信號高電平為28V，持續(xù)時間為80ms；

（2）流過繼電器觸點K1的額定電流值為10A，浪涌電流值最大為49．4A，幅值已超過了繼電器觸點的額定電流值，持續(xù)時間為4．8ms。

采用浪涌旁路保護電路后，流過繼電器觸點K1的電流波形見圖5。

實際測試結果如下：

（1）脈沖驅動信號高電平為28V，持續(xù)時間為80ms；

（2）脈沖信號高電平建立6．4ms后繼電器觸點接通，流過繼電器觸點K1的電流值為3．6A，80ms驅動信號為低電平，Q1截止，電流全部流過繼電器觸點，電流值為10A。

根據(jù)以上測試結果，浪涌旁路保護電路滿足設計要求，在功率線輸入正端電壓U1接通瞬間，由于電容器產(chǎn)生的浪涌電流被浪涌旁路保護電路旁路（浪涌電流持續(xù)時間為4．8ms），在繼電器觸點接通（脈沖信號高電平建立后6．4ms）前，回路中電流值已恢復到額定電流值，能夠確保繼電器觸點安全。

6 結束語

通過分析及對比實驗，浪涌旁路保護電路能夠確保規(guī)避繼電器觸點受到浪涌電流的沖擊，滿足繼電器用于航天產(chǎn)品中高可靠性的要求，是一種提高繼電器觸點抗浪涌能力的一種新穎保護電路，該電路已應用于某衛(wèi)星型號地面設備，取得了良好效果。