繼電器一定要添加二極體嗎？

前不久，本刊的一篇文章《簡單修改電路，讓600個產品起死回生！》中提到，原本沒問題的產品在採用新版本繼電器後，出現了吸合抖動的情況。後來，作者在繼電器線圈上並聯一個二極體，解決了這個問題... 但這篇文章在刊登於中國版《電子技術設計》(EDN China)網站後，卻遭來了一些不和諧的評論，什麼「小白設計」、「繼電器不加二極體能找到工作？」…諸如此類的。為什麼會出現這樣的評論呢？ 一開始我的反應也是繼電器要反並聯一個二極體，起到續流作用。但在仔細查看了原文末的評論後，我發現情況並沒有那麼簡單。以下就帶大家瞭解具體情況。

未加二極體的情況

 據TE Connectivity的應用筆記 “Coil Suppression Can Reduce Relay Life” (抑制線圈會縮短繼電器壽命)所述，典型的拍合式繼電器在斷電或掉電以後，磁通量會發生下降，當磁力下降到小於彈簧力時，銜鐵開始斷開。隨著銜鐵繼續斷開，彈簧力會根據銜鐵位置而減小，但相反的磁力也會隨銜鐵位置和線圈電流衰減(兩者都會使線圈磁通量減小)而減小。 隨著繼電器線圈中的電流中斷，其上的磁通量崩潰，所產生的瞬態感應電壓就可能高達數百甚至數千伏。如圖1所示，在簡單的串聯開關電路中，線圈控制開關的兩端就會出現感應電壓和電源電壓兩者的疊加。

圖1：未加二極體的典型直流繼電器，其在吸合和釋放時的線圈電壓電流動態曲線。（圖片來源：TE Connectivity）

增加通用二極體的優缺點

在現今的邏輯控制系統中，通常會使用固態開關來對直流線圈繼電器進行控制，並會使用各種抑制技術來對這個開關進行保護，從而使其免受線圈斷電感應電壓的影響。這些技術通常通過對線圈分流來實現，目的是減輕線圈電流突然中斷而導致線圈磁通量發生崩潰。 一種非常普遍的做法是對線圈反並聯一個通用二極體，用它來阻止電源電壓而與反極性線圈感應電壓形成導通。這樣就為流經線圈的電流提供了一條返回路徑，就可以將線圈感應電壓的幅度限制在二極體的正向壓降，從而使線圈電流以及磁通量緩慢衰減(見圖2)。

圖2：增加二極體的典型直流繼電器，其在吸合和釋放時的線圈電壓電流動態曲線。（圖片來源：TE Connectivity）

並聯二極體可為固態開關提供最大的保護，但卻可能對繼電器的開關性能產生非常不利的影響。眾所周知，迫使銜鐵斷開的合力是磁力與彈簧力之差，兩者都在發生變化，從而使合力隨時間和銜鐵位置變化。正是這個合力促使銜鐵和觸點彈簧發生轉換，進而引起銜鐵系統的速度和動量發生改變。 緩慢衰減的磁通量會使合力積分值較小，也即銜鐵加速打開較慢，而在只對線圈並聯二極體的情況中，磁通量衰減最慢。實際上，由硬NO (常開觸點)彈簧提供的打開力會快速減小，而磁力則緩慢衰減，這就可能使合力在一段時間內出現反轉。在此期間，銜鐵速度會減慢、停止甚至暫時出現反轉，直到磁通量進一步衰減，最終使彈簧「返回」力為正，從而使轉換繼續。 還有一點需要注意的就是，當功率繼電器的觸點發生閉合時，這會把飛快上升的(例如電阻性的)大電流負載連接到電壓源，這就會使相配觸點之間出現微小的熔融介面，進而引起微焊或粘連狀態，在下一次斷開轉換時就必須將其分開。 通常，在動銜鐵動量的幫助下，合力完全可以克服這個「黏」力而實現觸點的轉換。然而，銜鐵速度的下降甚至逆轉(在只加續流二極體的條件下)，以及銜鐵動量的減少，可能使黏連斷開失敗而出現觸點「焊接」現象。

最佳方案：增加「通用二極體+穩壓器」的串聯組合旁路

線圈電流衰減得越快，磁力減小得就越快，因而銜鐵動量和觸點黏連的「斷開能力」就越大。 顯然，這在不採用抑制的情況下是最佳的。然而，將通用二極體串聯一個穩壓二極體，就可以獲得接近最佳的衰減率。當線圈電源中斷時，線圈電流會通過這個串聯組合旁路續流，其上的電壓將保持等於穩壓器的電壓(加上二極體正向壓降)，直到線圈能量耗盡為止，如圖3所示。

圖3：增加二極體和24V穩壓器的典型直流繼電器，其在吸合與釋放時的線圈電壓電流動態曲線。（圖片來源：TE Connectivity）

可選擇合適的穩壓電壓值，將線圈開關電壓限制在開關額定值可接受的水準。這就為線圈開關保護和繼電器開關性能提供了最佳折衷方案。應採用這種方法來確保最高的繼電器性能和可靠性，同時為控制電路提供對線圈感應電壓的保護。 最後，此文指出，一般業界都會在無線圈抑制情況下對繼電器進行測試，然後建立額定性能。當應用條件要求對線圈感應電壓進行抑制時，建議使用待用抑制條件來評估繼電器的性能。

替代方案：使用TVS二極體

同時，作者也向Littelfuse的技術專家杜堯生進行了請教。他指出，為繼電器線圈增加一個反並聯二極體的情況不太多。原因在於它主要為了吸收反電動勢，如果是加二極體的話，反電動勢馬上就會形成短路狀態，這時電流會很大，就容易把線圈給燒毀了。一般來說，Littelfuse採用瞬態電壓抑制器(TVS)旁路，來把這個脈衝給吸收掉。TVS是一種鉗位型元件，可以只吸收脈衝，而不會造成整個短路的情況。

圖4：採用雙向TVS保護最簡單有效，這樣就可以只用一個元件實現單向TVS+穩壓器兩個元件的功能。（Littelfuse杜堯生供圖）

同時，他補充說，這也要看情況，主要是看兩點：吸合時能量的大小，以及斷開時吸收反電動勢的大小——只要控制元件能夠承受就不用加。還有種方法是加RC吸收回路來吸收掉這個能量。