继电器的关闭究竟需要多长时间?

发布时间:2024-03-25  

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。有了动力学知识,您可以更好地了解的各种参数特性并改进您的下一个设计。

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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=LR

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。

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