繼電器的關閉究竟需要多長時間?
原因是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。然而,有一些有趣的經驗教訓,可以學習繼電器行為和物理學,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。有了繼電器動力學知識,您可以更好地了解繼電器的各種參數特性并改進您的下一個設計。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202403/456781.htm測試電路
為了回答這個問題,我們可以使用圖1 所示的設置進行實驗,并附帶圖2 的示意圖。該設置包括一個具有代表性的工業繼電器 加插座,如示意圖所示的繼電器驅動器,以及一個 Arduino Nano Every 來切換驅動器的開和關。一個 Digilent 示波器 ANALOG DISCOVERY 3,探頭適配器,和 10個 X探頭用于記錄信號。
圖1:測試設置,以測量繼電器激活時間。
繼電器驅動器可能看起來是過度設計的。然而,Q2 高側驅動器(源配置)是必要的,以參考繼電器到地面。這允許安裝一個小值分流電阻 (R5) 。這個電阻器接地,很容易測量繼電器電流作為一個小的電壓降通過一個已知的電阻器。 電路的其余部分由電平移位晶體管 Q1 和檢測繼電器狀態的方法通過常閉 (N.C.)和常開 (N.O.) 指示燈 LED 組成。 讓我們不要忘記放置在繼電器線圈上的D1反激二極管。當繼電器失效時,二極管是必要的保護晶體管 Q2。要理解,這個二極管對繼電器的激活沒有影響,但它對繼電器閉合有深刻的影響。也許在未來我們可以回答一個有關打開繼電器所需時間的問題。
圖2:示意圖,具有高側PNP繼電器驅動器(Q2)和電流分流器(R5) 。
結果
結果如圖3 所示。有三個面板:
上部:橙色跡線 (CH 1) 是繼電器激活電壓測量在Q2集電極。藍色跡線 (CH 2) 是繼電器電流測量通過 R5 分流電阻。
中部:藍色跡線 (CH 2) 是繼電器常閉觸點上測量的電壓。
下部:藍色跡線 (CH 2) 是繼電器常開觸點上測量的電壓。
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,則圖 3 的復合圖可以構建為單個屏幕截圖。
圖3:繼電器的激活波形,包括線圈的電流,常閉和常開觸點。
根據圖 3數據,我們觀察到:
電樞運動首次觀察到在 4.7ms 時,N.C. 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,N.C. 和N.O. 觸點都沒有連接到電路。
與 N.O. 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毫秒,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。
提高閉合速度
為了提高繼電器閉合的速度,我們可以對步進電機驅動器應用一些技巧。這是同樣的問題:我們如何將電流強加到電感器中?;叵胍幌?,電感器的時間常數 (τ) 定義為
τ=LR
我們選擇的電感器,無論是繼電器還是步進電機線圈,都有固定的電感。它也有固定的電阻。然而,沒有什么能阻止我們通過實現 L/nR 系統(其中 n 是線圈電阻的乘數)來增加額外的外部電阻以降低 τ。例如,我們可以將串聯電阻加倍。這個 L/2R 系統已經將 τ 削減了2倍。同樣,L/4R 系統將將 τ 減少4倍。
這種外部電阻的懲罰是額外的電壓和浪費的功率。我們的 24VDC 繼電器將需要 48VDC 的 L/2R 和 96VDC 的 L/4R。繼電器功率增加了 2倍和 4倍。
讓我們退后一步,認識到繼電器的 L/4R 系統正在進入瘋狂的領域。另一方面, 96VDC 的 PWM 驅動器也不是不可能的。這將允許響應磁場建立,具有在初始爆發后將 PWM 節流到低“保持”水平的能力。
話雖如此,讓我們看看如何改善情況與 L/2R 系統。在這個實驗中,我們將增加 R4 如圖2 示意圖。我們還將增加電源電壓至 48VDC。結果見圖 4。
圖4:在L/2R環境下運行時,繼電器的激活波形。
請注意,圖3 和圖4 的穩態電流是相同的。雖然我們確實增加了兩倍的電壓,但 R4 系列電阻器與線圈電阻大致相同。因此,他們形成了一個平衡的電壓分壓器。
圖 4 中顯示的結果較圖 3 有顯著改進。最顯著的變化是改變 N.C.接觸的時間。它已經從4.7ms 改變到 2.4ms。這是由 L/2R 計算的 2倍加速。觀察到飛行時間略有減少,但反彈時間有輕微但不是必然的改進。這表明電感(磁場的累積)是繼電器激活的限制因素。彈簧張力和金屬對金屬反彈的物理是相對一致的。
再次,請注意繼電器電流的下降。這是由于電感的變化,由于金屬電樞“吸引”板接近繼電器線圈。
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