设备内部开关触点的处理

设备内部开关触点的处理

* 开关触点在其断开和接通过程中产生的电弧，及其对同一电网中其他用电设备的干扰是人们所熟知的。

IEC 61000--4--4 ( 对应的国家标准为GB / T 17626.4 ）编制的出发点也是为了模拟这种干扰，用以考核各类电子设备对这种干扰的承受能力。

1．开关断开过程中的瞬变干扰形成

* 上图为供电线路、开关和继电器组成的一个小系统的等效电路。

* 今假定继电器绕阻的稳态电流为70 ma ，绕组电感L2为1H ，分布电容（存在于绕阻层间和匝间）C2为500pF 。开关S断开瞬间，根据电感中电流不能突变的原理，原先储存在L2中的能量要转换成对C2的充电，若不计能量转移中的损耗，根据能量守恒定律

（1 / 2）L2 I 2 = （1 / 2）C2 U22

则继电器侧绕阻两端可能出现的电压峰值为

U2 = I √L2 / C2= 70×10-3√ 1 / （500×10-12）= 3130.5v

继电器侧的自谐振频率为

f2 = 1 / ( 2л√L2C2 ) = 7.118 kHz

上述分析表明，在开关S断开的瞬间，可以在继电器绕阻上产生高频衰减振荡（因为绕阻本身存在电阻）。

* 事实上当开关触点刚刚打开瞬间，动静触头距离还很近，所以只要绕组上感生出较低电压，就可能引起刚被打开的动静触头间的空气绝缘击穿，这样就产生了第一次电弧。一旦在开关触头间产生电弧，继电器绕组分布电容C2便要通过电源进行放电，使C2很快放电结束，本次电弧也很快被阻断。这样又回复到继电器绕组电感向分布电容的能量转移，这一次由于动静触头间距离随时间推移而有所增大，因此新一次分布电容上的充电电压要稍高一些，才能引起第二次放电。以上情况要一次次得以继续，放电电压一次比一次要高，间隔时间一次比一次要长，要直到触头间的距离大到使C2上的电压击穿才为止。这就是平时所看到的开关拉弧情况，实质上是由一连串放电过程的集合。

* 再从供电线路看，只要开关触头间的绝缘未被击穿，A点将是供电线路的开路电压。然而一旦继电器绕组分布电容的充电电压达到可以使触头绝缘击穿，并引起触头间的放电时，由于弧压降很小，使得A、B两点电位在放电瞬间几乎相等。只是由于供电线路的分布参数很小，使得放电很快就能结束，因此，从A点看到的波形是一连串，建立十分迅速，衰减同样也十分迅速的“毛刺”。而且“毛刺”的幅度一次比一次大，间

隔一次比一次长。据实测“毛刺”中单个脉冲的重复频率大体上是几KHz 到几百KHz ；幅度为几百至几千伏。

t=200μs/格V=5000V/格t=200μs/格V=5000V/格t=0.2μs/格V=2000V/格

a . 断电中的线圈端电压

b . 直流母线上的瞬变电压

c . （b）的波形放大

* 实践表明，不经处理的开关触头的拉弧过程，对同一电网的其他设备会造成相当严重干扰，电路设计人员千万不能对此掉以轻心。

2．干扰的抑制措施

①对继电器绕组（包括对其他被切换的电感性负载）的处理

（A）（B）（C）（D）（E）

* 对A，二极管的存在阻止了绕组对分布电容的充电，避免了自谐振。

线路中电流表达式为i= I e –t /τ。式中I为继电器绕组工作时的稳态电流，τ= L/R ，决定于绕组本身的电感和电阻。当L很大，或R很小时，τ将很大，这表明线路中的电流衰减将很慢。这意味着该继电器所控制的触头将延时释放。这个线路的优点是瞬变电压最低。

* 对B，在二极管回路串进了电阻R ，对电感的放电来说，这个电阻与继电器绕组中的内阻处在同一条串联回路，所以附加电阻的存在使τ

减小了，从而加速了线路的放电过程。R的值要适中，太大了相当附加回路开路，对瞬变无抑制作用；太小了，其放电过程和A一样。* 对C，在绕组上并联一个电容后，实际上是人为地增大了原先已经存在的分布电容值。今假定并入的电容为0.5μF ,则不计串联电阻，新电路绕组两端的电压峰值为

U2/ = I√L2 / C2/ = 70×10-3√ 1 /（0.5×10-6）= 98.7v

可见干扰幅度被大大降低了（原先为3130.5V）。此外，自谐振频率也降为226Hz 。

* 线路中的附加电阻R为自谐振提供了额外的功率消耗，可使振荡经过几个周期后很快被衰减到零。

* 对D，在绕组上并联一对背对背连接的雪崩二极管，二极管的击穿电压要大于继电器的工作电压。故正常工作时，二极管均不导通，一旦继电器绕组的供电电路切断时，只要绕组上感生的瞬变电压大于雪崩二极管的击穿电压，绕阻两端的电压便被箝位在雪崩二极管的击穿电压上，阻止了绕组电压的继续升高。由于雪崩二极管有电流流过，所以要消耗一定功率，这样经过几个周期的限幅振荡后，放电过程便告结束。

* 对E，在绕组上并联一个电阻，目的是对瞬变发生时进行能量吸收。

缺点是，继电器正常工作期间，电阻也有能量消耗。阻值小了，额外消耗就大，阻值大了，抑制作用也就不明显了。

* 实用中，可将A--E的线路进行适当组合，以便对瞬变吸收更加有利。注意，瞬变抑制元件要尽量靠近继电器绕组，元件的引线也要尽量取短，避免不必要的寄生振荡。

* 上述A--E的线路是针对直流供电线路设计的。对交流线路因A，B两线路中二极管的单向导电作用而不能适用，其余几个线路仍可使用。

②对开关触点的处理

A B C

* 除了在继电器绕组上采取措施外，也可直接在开关触点上采取措施来抑制瞬变过程的发生。

* 对A，在开关S断开时，电容经二极管充电，充电过程很快结束，故触头不会拉弧，从而使瞬变干扰限制到最小。触头重新闭合时，电容经电阻和机械开关放电，恢复准备状态，R的值限制C的放电电流。* 对B，雪崩二极管的嵌位作用避免了触头断开瞬间的电压增长，抑制了干扰的发生。使用时注意二极管的极性。二极管的击穿电压应大于