低壓接觸器作為控制電動(dòng)機(jī)負(fù)載的主要元器件，其優(yōu)勢(shì)在于可以短時(shí)間內(nèi)頻繁通斷，且具備上百萬(wàn)次的電壽命。 

線圈作為接觸器工作的“動(dòng)力”來(lái)源，其地位相當(dāng)于汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，上電瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的沖擊電流，斷電瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的浪涌電壓。

線圈在斷電瞬間會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)浪涌電壓，其核心機(jī)理是電感元件的自感現(xiàn)象，斷電瞬間電流從額定電流下降到零，根據(jù)楞次定律，磁場(chǎng)為了阻止電流消失，會(huì)在線圈兩端感應(yīng)出反向電動(dòng)勢(shì)。

圖1 交流線圈斷電瞬間浪涌電壓(黃色)



圖2 直流線圈斷電瞬間浪涌電壓(黃色)

由于切斷速度快，瞬態(tài)感應(yīng)電壓高達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千伏，對(duì)繼電器觸點(diǎn)、電子開(kāi)關(guān)元器件等造成損害，或者對(duì)同線路的精密電子控制設(shè)備(如PLC、單片機(jī))造成EMC干擾。

為了避免接觸器線圈釋放瞬間產(chǎn)生的浪涌電壓對(duì)控制元件造成損害，通常有4種常見(jiàn)的浪涌抑制器可以選擇，它們分別是：RC阻容模塊、壓敏電阻、續(xù)流二極管和雙向峰值限制二極管。



圖3 常見(jiàn)的4種接觸器線圈浪涌抑制器

1、RC阻容模塊
第一種浪涌抑制器：RC阻容模塊，其工作機(jī)理是斷電瞬間，線圈產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)會(huì)通過(guò)阻容模塊形成閉合回路，電容將電能轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能儲(chǔ)存起來(lái)，強(qiáng)行將電壓尖峰的幅值鉗位在較低的水平，避免高壓沖擊。

電容存儲(chǔ)的能量隨后通過(guò)并聯(lián)的電阻以熱能形式消耗，同時(shí)，電阻也起到阻尼作用，避免電容與線圈電感形成LC振蕩電路，避免產(chǎn)生新的電壓震蕩

圖4 RC阻容模塊

RC阻容模塊適用于交流和直流線圈接觸器，可以將線圈反向電動(dòng)勢(shì)限制到3倍Uc，對(duì)接觸器釋放時(shí)間略有影響(正常釋放時(shí)間的1.2倍到2倍)。



圖5 RC阻容模塊的電壓限制效果(黃色)

2、壓敏電阻
第二種浪涌抑制器：壓敏電阻，核心機(jī)理是利用其非線性伏安特性，將線圈反向電動(dòng)勢(shì)能量以“鉗位”而非“吸收振蕩”的方式消耗。

正常線圈電壓下，壓敏電阻呈高阻狀態(tài)，相當(dāng)于開(kāi)路，不影響電路運(yùn)行。

線圈斷電瞬間產(chǎn)生高壓尖峰，當(dāng)電壓超過(guò)壓敏電阻的壓敏電壓(通常為線圈額定電壓的1.6~2倍)時(shí)，其電阻瞬間下降呈低阻導(dǎo)通狀態(tài)，將浪涌電壓牢牢“鉗位”在安全閾值內(nèi)，避免電壓繼續(xù)升高



圖6 壓敏電阻

壓敏電阻適用于交流線圈接觸器和直流線圈接觸器，可以將線圈反向電動(dòng)勢(shì)限制到2倍Uc，對(duì)接觸器釋放時(shí)間略有影響((正常釋放時(shí)間的1.1倍到1.5倍)



圖7 壓敏電阻的電壓限制效果(黃色)

圖9是沒(méi)有安裝續(xù)流二極管的直流線圈接觸器釋放波形，綠線為線圈電壓信號(hào)，藍(lán)線為主觸頭電壓信號(hào)，釋放瞬間反向電動(dòng)勢(shì)很高，釋放時(shí)間13.5ms。

圖9 直流線圈接觸器釋放波形(無(wú)二極管)

圖10是安裝了續(xù)流二極管的直流線圈接觸器釋放波形，綠線為線圈電壓信號(hào)，藍(lán)線為主觸頭電壓信號(hào)，可以看到釋放瞬間反向電動(dòng)勢(shì)被限制到0V(綠色)，釋放時(shí)間97.2ms是之前的7倍左右。

圖10 直流線圈接觸器釋放波形(帶二極管)

4、雙向峰值限制二極管
第四種浪涌抑制器：雙向峰值限制二極管(雙向TVS管，也叫雙向瞬變抑制二極管)，其工作機(jī)理是當(dāng)線圈(斷電時(shí)產(chǎn)生的反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(浪涌)，無(wú)論極性如何，只要電壓超過(guò)TVS管的擊穿電壓，它就會(huì)瞬間從高阻抗變?yōu)榈妥杩梗绽擞磕芰坎㈦妷恒Q位在安全值，保護(hù)線圈和后端電路不受過(guò)壓損壞。



圖11 雙向峰值限制二極管

雙向峰值限制二極管適用于交流線圈接觸器和直流線圈接觸器，可以將線圈反向電動(dòng)勢(shì)限制到2倍Uc，對(duì)接觸器釋放時(shí)間影響不大。



圖12 雙向峰值限制二極管電壓限制效果(綠色)

總的來(lái)說(shuō)，為了抑制線圈在斷電瞬間產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，可以依據(jù)線圈型式、抑制效果等選擇不同的浪涌抑制器。

1、RC阻容模塊，抑制原理是電容吸收+電阻耗散，適用于交流和直流線圈，可以將線圈反向電動(dòng)勢(shì)限制到3Uc，對(duì)釋放時(shí)間略有影響(正常時(shí)間1.2~2倍)，不適用于諧波含量高的場(chǎng)合；

2、壓敏電阻，抑制原理是非線性釋放，利用氧化鋅晶界導(dǎo)通吸收能量，適用于適用于交流和直流線圈，可以將線圈反向電動(dòng)勢(shì)限制到2Uc，對(duì)釋放時(shí)間略有影響(正常時(shí)間1.1~1.5倍)；

3、續(xù)流二極管，抑制原理是低阻抗續(xù)流，為電感提供回路，只適用于直流線圈，優(yōu)點(diǎn)是可以將線圈反向電動(dòng)勢(shì)完全限制到0V，缺點(diǎn)是接觸器釋放時(shí)間大大延長(zhǎng)(正常時(shí)間6~10倍)，不適用于需要快速分?jǐn)嗟膱?chǎng)合。

4、雙向峰值限制二極管，抑制原理是雪崩擊穿鉗位，利用PN結(jié)精確穩(wěn)壓，適用于適用于交流和直流線圈，可以將線圈反向電動(dòng)勢(shì)限制到2Uc，對(duì)釋放時(shí)間幾乎沒(méi)有影響。

作者：賓昭平

相關(guān)閱讀
◆一級(jí)浪涌保護(hù)器必須選10/350波形的由來(lái)
◆解讀TVS瞬態(tài)電壓抑制二極管的真實(shí)應(yīng)用
◆從浪涌保護(hù)器原理和用途來(lái)區(qū)分信號(hào)PD和電源SPD