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1、一种防止继电器触点受损的新颖保护电路设计1 术语及定义浪涌电流：用电设备在启动瞬间产生的大电流；旁路电路：旁路用电设备在启动瞬间产生大电流的电路；ESL：电容器的等效串联电感；ESR：电容器等效串联电阻。2 浪涌电流产生的原因通常情况下，在设备加电时，电容器是产生浪涌电流的主要原因，原理示意图见图1。上图中K1闭合后，电容器C开始充电，若将直流电源、开关K1以及连接的导线看作理想状态（直流电源可提供足够大的电流且内阻为零，K1接触电阻为零，导线线阻为零），在电容器充电瞬间，产生的浪涌电流可根据公式1进行近似计算。式中：I浪涌电流U直流电源输出电压ESR电容器等效串联电阻虽然电容电器ESL对输入
2、浪涌电流有一定的抑制作用，但电感量较小，抑制作用也较小，可忽略。通常电容器ESR均比较小，例如，在100kHz下测量，液体钽电容器的ESR一般为几百毫欧，聚脂电容的ESR一般为几十毫欧，而陶瓷电容的FSR一般为几毫欧。所以在电容器加电瞬间，会产生较大的浪涌电流。以上是针对电容器在加电瞬间产生的浪涌电流所进行的分析，若其它设备或元器件在加电瞬间与电容器具有类似特性，则同样会产生较大的浪涌电流，如蓄电池在充电状念下也会产生上百安培的浪涌电流。3 旁路保护电路分析浪涌旁路保护电路原理图见图2。图中：R1、R2、R3、R4、R5为电阻器；C1、C2为钽电容器；G1为光耦器件；VT1为P沟道MOSFET
3、；K1为继电器触点。工作原理如下：在驱动信号接通后，线圈加电，继电器的吸合为机械动作过程，接通时间为515ms。浪涌旁路保护电路与继电器线圈同步接收驱动信号，G1导通前，VT1栅极电压与功率线输入正端电压U1相等，VT1为截止状态。G1导通后，功率线输入正端电压U1经R2、R3为电容C1充电，C1在充电开始阶段，VT1栅极电压通过公式1计算，忽略光藕器件的导通时间，此时VT1为导通状态。随C1电压不断上升，VT1栅极电压逐渐升高，当C1充电完成后，VT1栅极电压与功率线输入正端电压U1相等，VT1为截止状态，VT1管导通时间取决于R2、R3及C1参数与VT1管栅极阈值电压，忽略光耦器件的导通时
4、间（通常小于1s），导通时间通过公式（2）计算。式中：UGS（TH）为VT1管开启电压；C为电容器C1容值；U1功率线输入正端电压；t为VT1为导通时间。通常，继电器驱动信号为脉冲信号，高电平持续时间t1为80ms，在脉冲信号为高电平时，忽略光藕器件的导通时间，VT1立即为导通状态；在脉冲信号为低电平时，忽略光藕器件的截止时间，VT1立即为截止状态。根据以上分析，得到以下结果：（1）在脉冲信号为高电平时，VT1立即导通；（2）若通过公式（2）中计算出t小于驱动信号高电平持续时间t1，则VT1导通时间可通过公式2计算出。（3）若通过公式（2）中计算出t大于驱动信号高电平持续时间t1，则VT1导通
5、时间等于驱动信号高电平持续时间t1。4 仿真验证利用SABER软件，得到R5处电路仿真结果见图3。通过仿真，可以看出，MOSFET管导通时间为80ms左右。5 实验验证实验边界条件如下：（1）取R2=15k，R3=15k，C1=47F、C2=10F、R5=27；（2）P沟道MOSFET型号为IRF5210；（3）继电器采用3JB20-3型继电器，单触点额定电流为15A，触点动作时间为64ms，线圈额定电压为28V；（4）设定功率线输入正端电压U1=28V，未采用浪涌旁路保护电路时，流过继电器触点K1的电流波形见图4。实际测试结果如下：（1）脉冲驱动信号高电平为28V，持续时间为80ms；（2）
6、流过继电器触点K1的额定电流值为10A，浪涌电流值最大为494A，幅值已超过了继电器触点的额定电流值，持续时间为48ms。采用浪涌旁路保护电路后，流过继电器触点K1的电流波形见图5。实际测试结果如下：（1）脉冲驱动信号高电平为28V，持续时间为80ms；（2）脉冲信号高电平建立64ms后继电器触点接通，流过继电器触点K1的电流值为36A，80ms驱动信号为低电平，Q1截止，电流全部流过继电器触点，电流值为10A。根据以上测试结果，浪涌旁路保护电路满足设计要求，在功率线输入正端电压U1接通瞬间，由于电容器产生的浪涌电流被浪涌旁路保护电路旁路（浪涌电流持续时间为48ms），在继电器触点接通（脉冲信号高电平建立后64ms）前，回路中电流值已恢复到额定电流值，能够确保继电器触点安全。6 结束语通过分析及对比实验，浪涌旁路保护电路能够确保规避继电器触点受到浪涌电流的冲击，满足继电器用于航天产品中高可靠性的要求，是一种提高继电器触点抗浪涌能力的一种新颖保护电路，该电路已应用于某卫星型号地面设备，取得了良好效果。