常見的4種接觸器線圈浪涌抑制器

低壓接觸器作為控制電動機負載的主要元器件，其優勢在于可以短時間內頻繁通斷，且具備上百萬次的電壽命。 

線圈作為接觸器工作的“動力”來源，其地位相當于汽車的發動機，上電瞬間會產生很高的沖擊電流，斷電瞬間會產生很高的浪涌電壓。

線圈在斷電瞬間會產生瞬態浪涌電壓，其核心機理是電感元件的自感現象，斷電瞬間電流從額定電流下降到零，根據楞次定律，磁場為了阻止電流消失，會在線圈兩端感應出反向電動勢。

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，瞬態感應電壓高達數百甚至數千伏，對繼電器觸點、電子開關元器件等造成損害，或者對同線路的精密電子控制設備(如PLC、單片機)造成EMC干擾。

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



圖3 常見的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，其工作機理是斷電瞬間，線圈產生的反向電動勢會通過阻容模塊形成閉合回路，電容將電能轉換為電場能儲存起來，強行將電壓尖峰的幅值鉗位在較低的水平，避免高壓沖擊。

電容存儲的能量隨后通過并聯的電阻以熱能形式消耗，同時，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勢限制到3倍Uc，對接觸器釋放時間略有影響(正常釋放時間的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，核心機理是利用其非線性伏安特性，將線圈反向電動勢能量以“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，相當于開路，不影響電路運行。

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



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勢限制到2倍Uc，對接觸器釋放時間略有影響((正常釋放時間的1.1倍到1.5倍)



圖7 壓敏電阻的電壓限制效果(黃色)

圖9是沒有安裝續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，藍線為主觸頭電壓信號，釋放瞬間反向電動勢很高，釋放時間13.5ms。

圖9 直流線圈接觸器釋放波形(無二極管)

圖10是安裝了續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，藍線為主觸頭電壓信號，可以看到釋放瞬間反向電動勢被限制到0V(綠色)，釋放時間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)，其工作機理是當線圈(斷電時產生的反向感應電動勢(浪涌)，無論極性如何，只要電壓超過TVS管的擊穿電壓，它就會瞬間從高阻抗變為低阻抗，吸收浪涌能量并將電壓鉗位在安全值，保護線圈和后端電路不受過壓損壞。



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勢限制到2倍Uc，對接觸器釋放時間影響不大。



圖12 雙向峰值限制二極管電壓限制效果(綠色)

總的來說，為了抑制線圈在斷電瞬間產生的反向電動勢，可以依據線圈型式、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勢限制到3Uc，對釋放時間略有影響(正常時間1.2~2倍)，不適用于諧波含量高的場合；

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

3、續流二極管，抑制原理是低阻抗續流，為電感提供回路，只適用于直流線圈，優點是可以將線圈反向電動勢完全限制到0V，缺點是接觸器釋放時間大大延長(正常時間6~10倍)，不適用于需要快速分斷的場合。

4、雙向峰值限制二極管，抑制原理是雪崩擊穿鉗位，利用PN結精確穩壓，適用于適用于交流和直流線圈，可以將線圈反向電動勢限制到2Uc，對釋放時間幾乎沒有影響。

作者：賓昭平

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