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(jīng)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(shù)特性并改進您的下一個設計。

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(yè)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。

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(tài)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。

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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。

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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(jù)圖 3數(shù)據(jù)，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(fā)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(fā)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(fā)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(shù) (τ) 定義為

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(xiàn) L/nR 系統(tǒng)(其中 n 是線圈電阻的乘數(shù))來增加額外的外部電阻以降低 τ。例如，我們可以將串聯(lián)電阻加倍。這個 L/2R 系統(tǒng)已經(jīng)將 τ 削減了2倍。同樣，L/4R 系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)后將 PWM 節(jié)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(tǒng)。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。

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圖4：在L/2R環(huán)境下運行時，繼電器的激活波形。

請注意，圖3 和圖4 的穩(wěn)態(tài)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(jīng)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。