继电器应用中的抗干扰问题

叙述了电子线路中使用继电器控制功率负载的干扰现象 ,分析了产生干扰的机理并提出解决 的方法。研究发现 ,干扰来自于空间耦合 ,干扰源为继电器触头在接通和分断中产生的火花。采用光耦合隔 离 ,可使继电器稳定工作 ,不再发生误动作。研究结果的正确性已经在实际应用中被证明。

1引言

在实际的自动控制系统中常常需要由计算机 控制一些大功率的负载 ,许多情况下 ,继电器由于 需要的控制功率小、电压低 ,且容易与计算机接口 而得到广泛的应用。例如 :由继电器控制接触器 的闭合 ,进而控制交流电动机等设备的运行。继 电器的实际应用电路如图 1 所示。

图 1 中负载为控制感性负载的中间继电器的 线圈。单片机控制三极管导通时 ,继电器线圈通电 ,常开触头闭合 ,使中间继电器线圈通电 ,交流 电动机工作。

为了解决控制系统的稳定问题 ,本文针对图 1 所示的电路工作中经常出现的误动作 ,研究了 继电器工作过程中电子线路的电源电压的变化 , 从中找出了问题的原因。

2 继电器应用中干扰现象的研究

从电路上分析 ,干扰来自空间耦合 ,干扰源应 是继电器触头在接通和分断中间继电器线圈时产 生的电火花。因为中间继电器的线圈是感性负 载 ,在电路分断时 ,电感存储的能量会使电路分断 困难 ,所产生的电火花的剧烈变化向空间辐射电 磁波 ,从而可能改变单片机的 I/ O 口电平 ,造成 单片机电平输出的不正常变化。为此 ,在电路板 的继电器常开触头上并联了阻容吸收电路 ,以减 少触头间电火花能量 ,减少误动作的概率。但既 然单片机依然有误动作 ,经分析肯定另有原因 ,很 可能是单片机的供电电平发生了变化。因此 ,研究了继电器常开触头分断、接通两个时刻的电源 电压波形。

图 2 (a) 、(b) 、(c) 分别表示继电器常开触头 接通时刻的电源电压波形。可以看到 :在电源电 压上有时会出现跳动的尖峰。但是 ,尖峰的幅度、 极性、个数和有无是随机的 ,这与系统误动作无规 律是吻合的。

图 3 (a) 、(b) 、(c) 分别表示继电器常开触头 分断时刻的电源电压波形。可以看到 :在电源电 压上也出现了跳动的尖峰 ,尖峰的幅度、极性、个 数是随机的 ,并且每次都会出现。从实际系统故 障的过程看 ,接通时出现误动作的情况要少 ,分断 时误动作要多得多 ,甚至误动作后 ,控制系统不再 起动。检查发现 :单片机 8255 上靠近内部芯片的 表层处出现了焦糊的现象 ,结合观察到电源电压 的上跳幅度 ,应该是出现了高电压烧坏了芯片。 分析继电器的结构 ,认为出现高电压的原因是继 电器的常开触头与控制线圈被封在很小的空间 中 ,当触头出现火花 ,变化的电磁场在继电器的控 制线圈中感应出了高电压 ,这个高电压作用于单 片机的供电电压系统 ,使单片机的电源电压出现 了尖峰 ,电压波动的上、下限超过了单片机允许的 供电范围 ,单片机内部是微电子集成的各种门电路 ,电压波动会使门电路工作失常 ,因此 ,出现了 预料之外的输出结果。

继电器火花在接通时小是由于触头在接近时 开始产生火花 ,但触头很快闭合 ,火花消失 ;而在 继电器触头分断时 ,刚刚分开就有火花产生 ,触头 分开的距离加大 ,火花也加大 ,直到电源提供的能 量不能维持火花的存在 ,火花才熄灭。因此 ,继电 器分断时候的火花要大得多 ,使分断时电源电压 上出现更多的尖峰 ,单片机出现误动作现象会比 接通时要多

3 继电器抗干扰措施

为了杜绝继电器工作时因干扰发生误动作 , 必须使单片机的电源电压与继电器线圈的供电电 压隔离。采用光电隔离措施将继电器供电电压与 单片 机 供 电 电 压 隔 离 , 实 际 电 路 中 采 用 了 TL P521 光耦 ,副边电源电压的波动仅仅作用在 光耦的输出极上 ,光耦的耐压为 55 V ,可以满足 电压尖峰的变化幅度范围 ,电路如图 4 所示。

经过光耦的隔离 ,继电器工作稳定 ,不再有误 动作发生 ,即使常开触头不加阻容吸收回路 ,也不 再出现误动作 ,说明误动作是电源电压波动引起 的 ,而空间的电磁波辐射只要不在继电器控制线低压电器( 2002 №4)。

圈中产生过高感应电压叠加在单片机供电电源 上 ,就不会影响单片机的正常工作。上述结论是 在交流电动机为 1 kW 的情况下得出的。

4 大功率交流电动机控制的建议 光耦隔离虽然解决了单片机的工作稳定性 , 但继电器常开触头火花会使它的触头寿命受到影 响 ,而且当分断、接通的电流大时 ,辐射能量加大 , 也许会出现新的难以预料的异常现象。因此 ,建 议用双向可控硅式光耦进行强、弱电隔离 ,如图 5 所示。

图 5 中 ,当光耦的原边有电流输入 ,则光耦副 边的双向可控硅导通 ,而负载电源电压大到一定 值时 ,经过光耦副边给大功率光耦门极注入触发

电流 ,大功率双向可控硅导通 ,负载通过电流 ,由 于没有机械开关 ,就没有火花产生 ,也就不会干扰 单片机控制系统的工作。这样 ,同时解决了触头 产生电火花的干扰问题和触头磨损的电寿命问 题。需要注意的是 ,当负载电源的电压低、负载电 流小时 ,双向可控硅的电流要到达维持电流才能 正常使用。

5结语

继电器控制交流电动机时出现误动作是继电 器触头火花的电磁波从空间耦合到继电器控制线 圈 ,引起感应电势 ,造成单片机供电电压的波动 , 使电压出现尖峰造成的。将这个电压尖峰与单片 机的供电电源隔离 ,可消除继电器的误动作。关键词：16路IO控制