如何使用反激二极管防止继电器烧坏

感应负载，例如螺线管和接触器，可能会导致电弧和故障回到机电开关设备，从而导致代价高昂的停机时间。该解决方案比您想象的要便宜。

想象一下这样一个场景，PLC 的继电器输出卡被用于驱动大型液压缸的直流螺线管。每隔几个月，卡就会出现故障，导致停机和更换中继卡的不必要费用。

什么是反激电压？

用电移动开关或柱塞的设备使用电磁学的概念，其中线圈在消耗电流的同时会产生磁场。该磁铁的强度足以移动金属瓣甚至弹簧柱塞。更大的负载需要更多的电流。

当这个电磁铁产生时，磁场被储存在负载内部。换句话说，您使用电流产生磁场，并且磁场现在存储在该柱塞内。当线圈电流“关闭”时，存储在柱塞内的磁场仍然存在，并且在短时间内，它试图在线圈上产生电压。

什么时候反激电压好？

在某些情况下，这种产生的反向电压是一个非常有用的特性。汽车中的火花塞的工作原理是，电池的 12 伏电压在精确的时刻为线圈供电（来自分配器、电子线圈组，甚至每个插头上的线圈）。当电池电压被移除时，线圈试图通过电路驱动电流 - 在这里，提供的路径正好穿过火花塞的间隙。

但是 12 伏的电压不足以产生跨越几毫米的火花。幸运的是，线圈产生的电压比原始充电电压大很多倍，电流只持续片刻，直到磁场崩溃。

图 1.显示螺线管负载和典型反激二极管之间极性关系的电路原理图，在这种情况下很常见。后面会显示一个实际的接线示例。

什么时候反激电压不好？

回到工业环境中，反向电压比原始电压大很多倍的事实令人担忧。如果控制电路为 24 伏，则反向反激电压可能远高于 100 伏。如果电路中有一个小间隙，这肯定足以产生相当大的火花。火花塞点燃燃料可能很有用，但在控制系统中却很危险。

差距以机电控制装置的形式存在，即开关和机械继电器。当继电器或开关触点打开时，间隙会在几毫秒内从零增加到几毫米，从而为理想的火花间隙提供充足的时间来产生可见的电弧。

我在一个关灯的控制柜内看到了这种现象，透明冰块继电器内部火花的视觉显示非常引人注目。如果继电器很小，比如PLC 继电器输出卡上的继电器，火花会很快使继电器劣化，导致频繁故障。

图 2.与 DIN 安装 4PDT 继电器相比，电路板继电器的小尺寸显示了这些设备的相对敏感程度。

如果您似乎在模块上不断有单个 I/O 点出现故障，但电流却在额定限制范围内，那么罪魁祸首可能是直流供电的线圈设备在断电时会产生火花。

如何防止反激电压？

有几种方法可以防止这种有问题的现象。有些是涵盖症状的简单、廉价的解决方案，但其他解决方案可以完全预防问题。

缓冲二极管和电路

这些小型、廉价的设备有几个名称：缓冲、反激、续流、浪涌、保护等。它们可以从电子零件分销商处以几美分的价格批量订购，其中“整流二极管”这个名称表示所需的理想稳健等级。

图 3.继电器左侧的两个二极管 - 顶部是来自组件分​​配器的 1N4001，下部是专用于继电器插座的模型。

许多制造商意识到这个问题，设计了集成解决方案，将二极管直接安装到接线盒的接线中或直接安装在基于线圈的设备内部。只需寻找“二极管”一词，并确保以正确的极性安装。

二极管是只有两根导线的固态器件，电流只能单向流动。它们与感性负载并联安装，因此当负载从控制器通电时，二极管反向偏置，不允许电流绕过自身。

图 4.一个示例电路，显示一个二极管连接到一个双电平接线端子。Red/Black 和 Blu/WhtBlu 用于显示负载的极性，与二极管相比（注意二极管主体上的灰色条纹）。

然而，在控制电压被移除的那一刻，磁场试图在线圈上产生电压，线圈现在几乎就像一个高压电池。瞬间，这个正向偏置二极管，允许电流在一个短回路中流动，线圈到二极管。二极管能够在很短的时间内承受大电流，因此磁场（和电流）会在眨眼间安全地耗尽。

因为二极管将电压保持在 1 伏以下，所以电压永远不会增加到产生火花的水平，因此消除了对危险的恐惧。

二极管的一种变体是电阻-电容 （RC） 串联电路，允许场以可预测的速率放电。该电路也可以与控制装置并联安装，允许电流在开关或继电器触点周围无害地排出。

固态开关器件

可以购买带有直流输出而不是继电器输出的 PLC 输出模块。对于某些情况，这可能是一种有效的解决方案，但继电器输出的优点是大型螺线管所需的高电流额定值。许多直流输出卡根本无法处理这么大的电流。

直流输出模块通过限制反向电压电弧危险的晶体管提供电流。在非常短的时间内具有高度的断态电阻和高电压容差，只有极高的持续电压尖峰才会成为终端情况。但是驱动负载所需的大电流绝不是短暂的，并且对于正常的晶体管输出来说是（并且经常闻到）麻烦。

交流供电负载

虽然 24 伏直流是常见的控制电压，但反激现象会随着交流电压而消失，因为电感线圈没有充电到恒定值，然后在断电时突然放电。

许多螺线管可以找到120 AC和24 AC电压，安装和故障排除方法基本保持不变，继电器卡仍然可以使用。显然，电压源的变化和设备的更换可能会导致不希望的停机时间，但从长远来看可能值得您花时间。