电涌保护用二极管继电器的建模

在这组继电器中使用二极管可以抑制开关过程中的电压浪涌

高压系统中的继电器、断路器和其他类型的开关似乎提供了可靠的保护，但在引擎盖下有一个简单的电路使这成为可能。还记得你在大学电子学课上玩的那些模拟元件吗?当以一种看似简单的方式连接起来时，一个继电器二极管电路当继电器触发时，提供高压保护。

这个电路依赖于两个元件:一个二极管和电感。对于低到中等电压峰值，一些基本的现成组件将提供重要的过电压保护。由于该电路本质上是非线性的，特别是在存在强电压峰值的情况下，您将希望模拟您的设计，以确定其工作极限。以下是如何设计带有二极管电路的继电器，以及评估设计所需的分析工具。

用二极管电路定义继电器

每个继电器包含三个重要元素:

• 开关:虽然看起来很简单，但开关实际上非常重要，因为它可以提供一个没有开关反弹的电气接触(在继电器领域称为颤振)。开关弹跳发生在低质量的开关中，当开关被抛出时，电触点有效地振动。一个开关通过继电器线圈发送电流，或机械(固态继电器)或电气(机电继电器)与一个晶体管或螺线管开关。

• 继电器线圈:一旦继电器线圈被接通，它就会激活第二个开关，该开关负责在常闭(NC或OFF状态)和常开(NO或on状态)位置之间移动电枢。这种从继电器线圈的开关是什么允许电流流向负载。

• 二极管:二极管负责提供瞬态电压抑制。二极管背后的想法是，当继电器被开关时，确保状态之间的平稳过渡，从而抑制任何瞬态电压峰值。当继电器关闭时，二极管为继电器中的任何瞬态提供低阻抗路径，这有效地转移了任何电流和电压峰值远离开关电路。

无论你是使用机电继电器还是固态继电器，你的继电器电路应该包括一个二极管与继电器线圈并联。二极管配置的继电器在继电器被激活时提供瞬态电压抑制，从而防止继电器中的电流浪涌烧毁开关电路。当下图所示的继电器电路被一个晶体管触发时，这一点尤其重要(想象一个晶体管取代了电池旁边的开关)。

二极管电路的基本继电器示意图

当继电器关闭时，有一个电流浪涌，外加电压驱动二极管进入反向偏置。低阻抗路径是直接通过继电器线圈，这就像一个电感。线圈有一些固有的直流电阻，电感和线圈一起确保平稳过渡到高电压。这在高压应用中尤其重要，在高压应用中，快速上升到高压可能会损坏开关。

类似地，一旦继电器被打开，线圈中的磁场开始减小，这产生了一个反电动势，指向二极管的阳极。这驱动二极管进入正向偏置，为瞬态电流提供一个低阻抗路径，创建一个通过线圈和二极管的电流循环。的直流电阻线圈的阻尼慢慢地将反电动势降至零。同样，这可以防止电压/电流的大峰值损坏用于开关继电器的任何敏感电路。

瞬态电压抑制继电器电路建模

由于这些电路的设计目的是在继电器开关时抑制瞬态电压峰值，因此需要使用瞬态分析来分析电压峰值的行为，以及随时间推移继电器电感和电阻的衰减情况。在设计师看来，在基于spice的模拟器中最简单的方法是使用分段DC源。使用分段源可以为电路中的源电压定义一个特定的过渡时间。你的目标是运行一个暂态分析模拟并检查负载随时间变化的电压。观察负载上看到的电流和负载中耗散的功率也是一个好主意。

带有二极管电路的继电器电路模型。该模型中显示了差分电压和电流测量探头。

由于二极管的作用就像一个非线性电阻，因此很难立即确定瞬态响应如何随时间衰减。如果你试着用手来做，你就得用数值解出一个相当复杂的随时间变化的超越方程。使用分段电压源可以迭代多个不同的上升时间，以定义不同的脉冲强度。还可以对继电器线圈的电感和电阻进行参数扫描，以检查其阻尼效果。

一定要检查你想要使用的继电器的数据表，以获得继电器线圈的电感和电阻。典型的继电器线圈电感值在mH范围内，典型的线圈电阻值在10的欧姆范围内。通过迭代各种电阻和电感值，您可以确定在您的电路中使用的候选替换继电器，以防所需的继电器不能提供正确的保护级别。

你还应该表演冒烟测试检查理想继电器中的组件是否会在运行过程中烧坏。这需要在您的模拟中指定功耗额定值，尽管当您使用正确的模拟工具时，这是非常容易的。然后，您可以确定哪些组件将首先失效，并将它们替换为更具弹性的组件。

当你使用正确的二极管电路时，建立和建模继电器要容易得多PCB设计和分析软件包中。在布局和仿真工具OrCAD PSpice模拟器和全套分析工具从节奏是建立和分析电压抑制系统的瞬态行为及其耐久性的理想选择。上面列出的烟雾测试只有通过PSpice的智能模拟才能实现。您还可以访问制造商部件搜索工具，为您的系统准备源组件和转移到生产。

如果您想了解更多Cadence如何为您提供解决方案，跟我们和我们的专家团队谈谈吧．