一、繼電器電弧的危害

繼電器的觸點(diǎn)在動(dòng)作時(shí)容易產(chǎn)生電弧，電弧具有熱效應(yīng)容易導(dǎo)致觸點(diǎn)燒蝕粘接，縮短繼電器的壽命，并且產(chǎn)生電弧的過(guò)程中會(huì)對(duì)外進(jìn)行電磁輻射，對(duì)周圍的設(shè)備產(chǎn)生干擾。

二、電弧產(chǎn)生的原理

2.1電弧的熱電子理論

熾熱金屬以及其他物體在高度真空或氣體中逸出電子的現(xiàn)象，稱為熱電子發(fā)射。在高溫的影響下，陰極可發(fā)射電子。陰極溫度的來(lái)源可以是人工加熱，或者是游離氣體中正離子撞擊陰極的結(jié)果。

2.2電弧的自動(dòng)電子理論

這種理論認(rèn)為：電弧陰極的空間電荷電場(chǎng)對(duì)于從金屬吸出電子是足夠的，在電場(chǎng)作用下金屬勢(shì)壘變狹，電子可穿過(guò)勢(shì)壘逸出。

2.3熱粒子理論

這種理論認(rèn)為：從接近陰極的弧柱層中發(fā)射粒子，陰極電流唯一的或主要的是粒子電流。陰極過(guò)程決定于位于距陰極表面1～10倍自由行程的高溫等離子層，即所謂游離化的空間，該層給予陰極正離子，而在弧柱中則為電子。離子理論不能解釋陰極斑點(diǎn)與電壓和電流的關(guān)系，僅僅適用于高氣壓下的電弧條件。

三、繼電器的電弧及電弧的熄滅

3.1繼電器的電弧

繼電器閉合觸點(diǎn)剛分離時(shí)，間隙極小，電路電壓幾乎全部加在觸頭之間，形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，陰極的自由電子逸出奔向陽(yáng)極，成為強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。電子高速運(yùn)動(dòng)，碰撞中性氣體分子，使其電離。電離后正離子向陰極運(yùn)動(dòng)，撞擊陰極表面使其溫度升高，進(jìn)而形成熱電子發(fā)射，并再參與碰撞電離，因此會(huì)在電極間形成大量帶電粒子，使氣體導(dǎo)電形成了熾熱的電子流即電弧。

繼電器在切斷電路時(shí)常常會(huì)產(chǎn)生電弧，這是不可避免的。通常在觸點(diǎn)電壓達(dá)到10V以上，電流在200mA以上，繼電器切斷電流時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電弧。圖1為 繼電器觸點(diǎn)電路示意圖

圖1 繼電器觸點(diǎn)電路示意圖

3.2直流電弧的熄滅

觸點(diǎn)材料：繼電器觸點(diǎn)材料采用AgNi、AgPb等高熔點(diǎn)合金材料，可以增強(qiáng)觸點(diǎn)的耐電弧腐蝕能力。

觸點(diǎn)間距：繼電器觸點(diǎn)間距要足夠大，大于電弧長(zhǎng)度（有圖2所示為不同電壓電流下電弧的長(zhǎng)度），才能確保電弧被拉斷熄滅。如果電弧持續(xù)燃燒，會(huì)把繼電器觸點(diǎn)燒壞熔化。

圖2 不同電壓電流下電弧的長(zhǎng)度

3.3交流電弧的熄滅

對(duì)于50Hz交流電，電流每個(gè)周期都會(huì)過(guò)零，電流過(guò)零使得交流電弧相比之下較容易熄滅。

如圖3所示，交流電弧的電流有偏離正弦波形的畸變形狀，在電流過(guò)零點(diǎn)以前，它比正弦波下降的快，而在直接過(guò)零點(diǎn)附近變化緩慢。因此，電流波形中出現(xiàn)電流“零休”的時(shí)間間隔，即在這段時(shí)間內(nèi)電流非常接近于零。?

圖3 交流電弧的電壓電流波形

四、繼電器的電弧消除

4.1阻性負(fù)載的安全應(yīng)用

繼電器觸點(diǎn)的安全工作區(qū)可以方便地用開關(guān)容量曲線表示。圖4給出了某繼電器的開關(guān)容量曲線，圖中折線左下方的電流電壓區(qū)域?yàn)槔^電器的安全工作區(qū)域。雖然廠家給出的額定負(fù)載為DC30V/2A，但從圖中可以看出DC100V/0.5A的負(fù)載也可以用該繼電器來(lái)開關(guān)。超出開關(guān)容量范圍應(yīng)用可能會(huì)導(dǎo)致繼電器電弧失效。

圖4 某繼電器的開關(guān)容量曲線

4.2 非阻性負(fù)載觸點(diǎn)保護(hù)電路

繼電器的開關(guān)電壓、開關(guān)電流指標(biāo)都是針對(duì)電阻性負(fù)載提出的，對(duì)于非電阻性負(fù)載（感性負(fù)載、容性負(fù)載等等），繼電器很容易出現(xiàn)拉弧失效或者觸點(diǎn)熔化失效，所以要求采用相應(yīng)的電路作保護(hù)。

4.2.1容性負(fù)載和燈負(fù)載的電弧消除

當(dāng)繼電器負(fù)載是電容負(fù)載或者是燈負(fù)載時(shí)，觸點(diǎn)閉合時(shí)會(huì)出現(xiàn)瞬間大電流（注：電容瞬間充放電會(huì)產(chǎn)生大電流；燈負(fù)載的初始電阻很小，所以開啟瞬間電流遠(yuǎn)大于穩(wěn)定工作電流）。電容負(fù)載引起的沖擊電流一般可以達(dá)到20～40倍穩(wěn)態(tài)電流，燈負(fù)載引起的沖擊電流一般可以達(dá)到10～15倍穩(wěn)態(tài)電流，通常脈寬1us的異常大電流就可能損壞繼電器觸點(diǎn)?？梢钥紤]添加串聯(lián)電感（如圖5所示）或者串聯(lián)限流電阻和電感（如圖6所示）的方法限制瞬間電流，圖5和圖6兩種防護(hù)方式均適用于AC和DC電路。

圖5 電感方式

圖6 電感+電阻方式

4.2.2感性負(fù)載的保護(hù)電路

繼電器觸點(diǎn)斷開感性負(fù)載時(shí)，感應(yīng)電壓會(huì)加到觸點(diǎn)兩端，感應(yīng)電壓可用公式e=-Ldi/dt來(lái)估計(jì)，對(duì)較大的電感和電流，感應(yīng)電壓常常會(huì)高出穩(wěn)態(tài)電壓數(shù)十倍，導(dǎo)致繼電器拉弧失效。因此常用在觸點(diǎn)兩端加吸收電路來(lái)保護(hù)觸點(diǎn)，抑制干擾。

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4.2.2.1 RC保護(hù)電路

圖7所示電路為觸點(diǎn)端的RC保護(hù)電路，此電路特點(diǎn)：1）適用于DC電路；2）適用于電源電壓為24-48V時(shí)；

圖8所示電路為負(fù)載端的RC保護(hù)電路，此電路特點(diǎn)：1）適用于DC和AC電路；2）適用于電源電壓為100-200V時(shí)。

圖7 觸點(diǎn)端的RC保護(hù)電路

圖8 負(fù)載端的RC保護(hù)電路

R和C的參數(shù)選取原則為，R：1V觸點(diǎn)電壓對(duì)應(yīng)1Ω；C：1A觸點(diǎn)電流對(duì)應(yīng)1uF。電容C的耐壓一般為200-300V，或負(fù)載電壓的兩倍以上。AC電路需要使用無(wú)極性電容器。

4.2.2.2 二極管保護(hù)電路

圖9所示為二極管保護(hù)電路，此電路特點(diǎn)：1）適用于DC電路；2）釋放時(shí)間較長(zhǎng)；3）選用反向擊穿電壓至少為電路電壓的10倍，正向電流至少為電路最大電流的二極管，如果在電子電路中電路電壓并不是很高，也可以使用反向耐壓為電源電壓2-3倍左右的二極管。

圖9 二極管保護(hù)電路

4.2.2.3 二極管+穩(wěn)壓二極管保護(hù)電路

圖10 所示為二極管+穩(wěn)壓二極管保護(hù)電路，此電路特點(diǎn)：1）適用于DC電路；2）在二極管方式里加入穩(wěn)壓二極管，可以加快釋放時(shí)間；3）選用與電源電壓相近的穩(wěn)壓二極管；

圖10二極管+穩(wěn)壓二極管保護(hù)電路

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4.2.2.4 壓敏電阻保護(hù)電路

?圖11 所示為壓敏電阻保護(hù)電路，此電路特點(diǎn)：1）適用于DC和AC電路；2）降低觸點(diǎn)間較高的電壓和電流；3）電源電壓為24-48V時(shí)，壓敏電阻并聯(lián)在觸點(diǎn)端較好，電源電壓為100-200V時(shí)，壓敏電阻并聯(lián)在負(fù)載端較好；4）選用限制電壓Vc為電源電壓峰值1.5倍的壓敏電阻，如果限制電壓Vc過(guò)高，限制反向電壓的效果將不理想。

圖11 壓敏電阻保護(hù)電路

4.3 錯(cuò)誤的保護(hù)電路

不能采用將電容直接與觸點(diǎn)或負(fù)載并聯(lián)來(lái)保護(hù)觸點(diǎn)，如圖25所示。雖然在觸點(diǎn)斷開時(shí)電容能很好的抑制電壓尖峰，但當(dāng)觸點(diǎn)閉合時(shí)存貯在電容中的額外能量流過(guò)觸點(diǎn)，使觸點(diǎn)過(guò)載，容易出現(xiàn)觸點(diǎn)熔接。

圖12 錯(cuò)誤保護(hù)電路