继电器电磁干扰的分析及抑制

2012-06-06 10:38阅读：

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摘要：本文主要介绍了对电气设备中继电器及其开关触点干扰抑制的机理，提出了抑制干扰的有效措施。
　　关键词：继电器　电磁干扰　分析　抑制
　　1前言
　　随着科学技术的飞速发展，电子、电力电子、电气设备应用越来越广泛，它们在运行过程中会产生较强的电磁干扰和谐波干扰。其中，电磁干扰具有很宽的频率范围（从几百Hz到MHz），又有一定的幅度，经过传导和辐射会污染电磁环境，对电子设备造成干扰，有时甚至危及操作人员的安全。特别是大功率中、短波广播发射中心，其周围电磁环境尤为复杂，要想保证设备安全稳定运行，电子设备及电源必须具有更高的电磁兼容性。
　　2电磁干扰的抑制
　　电磁干扰EMI(Electromagnetic Interference)是指由无用信号或电磁骚扰（噪声）对有用电磁信号的接收或传输所造成的损害。一个系统或系统内，某一线路受到电磁干扰的程度可以表示为如下关系式：
　　N=G×C/I
　　其中：G为噪声源强度；
　　I为受干扰电路的敏感程度；
　　C为噪声通过某种途径传导受干扰处的耦合因素。
　　从上式可以看出，电磁干扰抑制的技术就是围绕这三个要素所采取的各种措施，归纳起来就是：
　　（1）抑制电磁干扰源；
　　（2）切断电磁干扰耦合途径；
　　（3）降低电磁敏感装置的敏感性。
　　2.1抑制电磁干扰源
　　首先必须确定干扰源在何处，越靠近干扰源的地方采取措施抑制效果越好，一般来说，电流电压瞬变的地方（即di/dt或du/dt）即是干扰源，如：继

电器开合、电容充放电、电机运转、集成电路开关工作等都可能成为干扰源。另外，市电并非理想的50Hz正弦波，其中充满各种频率噪声，也是不可忽视的干扰源。
　　抑制干扰源就是尽可能的减小di/dt或du/dt，这是抗干扰设计时最优先和最重要的原则。减小di/dt的干扰源，主要是在干扰回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现；减小du/dt的干扰源，则是通过在干扰源两端并联电容来实现。
　　抑制方法通常采用低噪声电路、瞬态抑制电路、稳压电路等，所选用的器件应尽可能采用低噪声、高频特性好、稳定性高的电子元件，特别要注意，抑制电路中不适当的器件选择可能会产生新的干扰源。
　　2.2切断电磁干扰耦合的途径
　　电磁干扰耦合途径主要包括传导和辐射两种。
　　所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰，抑制传导干扰主要是通过在导线上增加滤波器的方法切断干扰源，有时也可加隔离光耦来解决。滤波器分为低通（LPF）、高通（HPF）、带阻（BEF）、带通（BPF）等四种，可根据信号与噪声频率的差别选择不同类型的滤波器，对于要求较高的设备，则必须采用穿心滤波器。
　　辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰，对于辐射干扰，主要是采用屏蔽技术和分层技术。屏蔽技术是一门科学，选择合适的屏蔽材料，在适当的位置进行屏蔽，对于屏蔽效果至关重要，尤其是屏蔽室的设计。可供选择的屏蔽材料种类繁多，有各种金属板、铜丝网、导电橡胶、导电胶、导电玻璃等等，应根据需要进行选择。屏蔽室的设计应充分考虑门窗、通风口、进出线口的屏蔽与搭接，除静电屏蔽外，还应考虑磁屏蔽及接地。

2.3降低电磁敏感装置的灵敏度
　　电磁敏感装置的灵敏度本身具有矛盾的双重性，一方面，人们希望电磁敏感装置灵敏度高一些，以提高对信号的接收能力；另一方面，其灵敏度越高，受噪声影响的可能性也就越大。因此，应根据具体情况，采用降额设计、屏蔽设计、网络钝化、功能钝化等方法使问题得到解决。
　　电磁干扰抑制方法很多，可以选择一种或多种综合应用，但不论选择什么方法，都应从设计之初就着手系统电磁兼容性的考虑。
　　3继电器及其开关触点干扰的抑制
　　继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子等设备中，是最重要的控制元件之一。继电器的开合本身所产生的电磁干扰是绝对不能忽视的，为保证各种设备的安全稳定运行，对继电器及其开关触点电磁干扰的抑制尤为重要。
　　3.1继电器线圈瞬变干扰的抑制
　　继电器线圈（以直流继电器为例）是感性负载，在电源断电瞬间会产生瞬变电压，有时高达几kV，如此高的电压足以损坏相关元器件；不仅如此，由于其含有丰富的谐波，可通过线路间的分布电容、绝缘电阻侵入控制系统，导致误动作。为防止元器件损坏、电路误动作等，就必须采取抑制措施，由于断路产生的瞬变电压能量大、频谱宽，仅仅采用滤波或隔离措施难以凑效，抑制瞬变干扰，通常采用如下几种常见的方式：
　　（1）并联电阻
　　图1为并联电阻抑制瞬变干扰电路，在图1中，K为电路的控制开关，L为继电器线圈的电感。该抑制电路的关键是正确选择所并联的电阻值，阻值过大起不了作用，过小增加功耗，且易烧坏开关触点。例如，48V直流继电器以并联1kΩ/5W电阻为宜，连接不必考虑电源的极性。

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图1并联电阻方式

　　（2）并联二极管
　　图2为并联二极管抑制瞬变干扰电路，电源与二极管极性的相对关系不可任意改变。采用这种方式，能量损耗小，瞬变电压低，但是该种方式延长了放电时间，导致继电器线包延时释放，降低了动态响应性能。二极管峰值耐压应为负载电压的3倍以上。

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图2并联二极管方式

　　（3）并联RC支路
　　并联RC支路如图3所示。该种方式抑制效果好，但使用元器件较多，R、C数值的选择与线圈的电感及内阻有关，与电源极性无关，通常R在10～100Ω之间，C在0.1～0.5μF之间，选用无极性电容器，且其耐压应高于电源电压的峰值。

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图3并联RC支路方式

（4）其他方式
　　另外，还有并联电阻+二极管支路方式（如图4所示）和并联双向二极管或稳压管方式（如图5所示）。并联电阻+二极管支路方式中，电源与二极管的极性不能颠倒，采用这种方式能减少释放时间，提高动态特性。并联双向稳压二极管方式不必考虑电源极性，延迟时间短，但必须保证稳压二极管的耐压至少是电源电压的2倍。

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　　3.2 开关触点干扰的抑制
　　断开继电器负载时，为防止开关触点产生火花放电，除了在线圈两端加能量释放通路外，也可在开关触点两端增加并联保护网络，一般最常用的是RC保护网络。该保护网络可延长接点的耐久性，防止噪音及减小电弧引起接点烧毁。图6为继电器开关触点干扰抑制的典型电路。
　　在图6中，R、C串联后跨接在开关触点两端，当开关断开时电感性负载中存储的能量通过RC网络放电，避免了触点间产生放电。R、C的选择应根据接点的电流和电压来确定，电阻R相对于接点电压为1V时，通常选择0.5～1Ω；电容C相对于接点电流为1A时，通常选择0.5～1μF。但是由于负载的性质和离散特性等的不同，必须考虑电容C具有抑制接点断开时的放电效果，在一般情况下使用200～300V的电容器耐压。电阻R的选择应考虑两个方面的因素，一方面，在开关断开瞬间，希望R越小越好，以便电感上存储的能量变成电容器上的能量；另一方面，当开关闭合时，希望R尽可能的大，以免电容器上的能量通过开关触点放电时电流太大而烧毁触点。一般情况下，开关触点间存在两种形式的击穿电压，即气体火花放电和金属弧光放电。要防止气体火花放电，应控制触点间电压低于300V；要防止金属弧光放电，应控制触点间的起始电压上升率小于1V/μs，并把触点间的瞬态电流控制在0.4A以下。

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　　图7为一种改进型的抑制电路，即在电阻R上并联一只二极管D。在开关断开时，电感中的能量通过由R、C、D组成的电路释放，由于二极管正向导通，内阻很小，能量很快释放；当开关闭合时，充满电的电容C通过电阻R和开关触点放电，由于二极管是反向偏置不导通，释放电流仅从电阻R上流过，如R选取足够大，就不会引起触点烧坏。
　　另外，还可采用在开关触点两端并联稳压二极管的抑制电路，如图8所示。

继电器电磁干扰的分析及抑制

图8并联稳压二极管方式

　　在图8中，当开关触点断开时，触点两端出现高电压形成火花放电，由于稳压管的稳压特性，使触点两端的电压不会大于电源电压的1.5倍，从而抑制了瞬变电压和火花。这种电路由于仅用一个元件，电路简单而且效果不错。
　　一般情况下，电感性负载比纯阻性负载更容易产生气体火花放电和金属弧光放电，只要选择适当的抑制电路，可以达到和纯阻性负载相同的效果。
　　由于抑制电路的种类很多，在此不再作详细介绍。
　　4结束语
　　随着信息技术的不断发展，电台自动化建设不断深入，干扰问题已成为制约系统自动化控制的瓶颈，如何减小相互间的电磁干扰，使各种设备和系统能正常运转，是一个亟待解决的问题。在采用不同的方法对电磁干扰进行抑制时，应分析其综合效应，并对所采用的干扰抑制手段的作用进行恰当的预估，才能获得较理想的效果。
　　参考文献：
　　[1] 蔡仁钢. 电磁兼容原理和预测技术, 北京航空航天大学出版社,1997
　　[2] 张乃国. 电源干扰与抗干扰, 华港出版社, 2003
（作者单位系国家广电总局2022台）

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