繼電器串聯(lián)電阻,有兩種方式,其一是觸點串聯(lián)電阻,其二是線圈串聯(lián)電阻。從題主的問題中我們能看出,他的問題指的是第一種方式,因此我把回答重點放在第一種方式上。先講結(jié)論:正如題主所說,觸點串電阻,的確與避免觸點燒蝕粘結(jié)有關(guān)。而燒蝕粘結(jié)的主角就是電弧,電弧會引起觸頭/觸點的粘連和熔焊。可見,題主的問題與繼電器觸點熄弧有關(guān)。我們看下圖:
圖1:當(dāng)繼電器觸點K打開后發(fā)生的事圖1中的電感L就是另外一只繼電器的線圈,或者是其他什么感性負(fù)載。我們看到,在2圖中當(dāng)觸點打開后,觸點間就會出現(xiàn)電弧。我的同事和學(xué)生們,經(jīng)常會詢問我一個問題:繼電器觸點的電流這么小,會有電弧燒蝕作用嗎?答案是肯定的。在大氣中開斷電路,只要電流超過0.25~1A,電壓超過12~20V,就會產(chǎn)生電弧。電弧產(chǎn)生后,它對繼電器觸點材料產(chǎn)生強(qiáng)烈的燒蝕作用,會降低繼電器的電壽命。因此,如何讓繼電器的觸點盡快消除電弧,是電氣工作者和繼電器制造商們關(guān)注的問題之一。圖1的1圖中,我們忽略掉繼電器觸點K的接觸電阻,則觸點兩端的電壓Uh=0。同時,線路中的電流In也處于穩(wěn)定狀態(tài),因此電感也不會產(chǎn)生反向電動勢。如此一來,我們就能畫出電路的靜態(tài)直流負(fù)載線:當(dāng)Ih=0時,電壓Uh=E;當(dāng)電流Ih=E/R時,Uh=0。可以想見,這是一條斜線,見圖2中的直線E-K。
圖2:直流電弧的伏安特性曲線注意:當(dāng)Uh=E時,Ih=0,代表著線路已經(jīng)斷開;而在K點,表示線路的電流取**值。現(xiàn)在觸點打開了,根據(jù)基爾霍夫第二定律KVL,我們可以寫出電路中的電弧電壓Uh方程,如下:
式1我們把式1的方程繪制成曲線H1,疊加在靜態(tài)直流負(fù)載線上,見圖2。我們會發(fā)現(xiàn),H1曲線與靜態(tài)直流負(fù)載線有兩個交點,分別是點1和點2。我們來仔細(xì)看看這兩個點有什么特點,如下:先看點1:在點1上,電流不會發(fā)生變化,也即dIh/dt=0。這里的dIh/dt是電弧電流對時間的變化率。然而,由于有電感存在,使得電流Ih要么減小,要么增大。在點1的左側(cè),當(dāng)電流減小時,dIh/dt小于零,我們看到電弧電壓Uh會增大。然而,我們由直流負(fù)載線可知,Uh越大,Ih就越小,所以電路的發(fā)展趨勢就是讓Ih越來越小。一旦Ih減小到零,Uh就會增大到E,相當(dāng)于繼電器的觸點已經(jīng)執(zhí)行了開斷。也就是說,在點1的左側(cè),dIh/dt的變化方向與電路的發(fā)展趨勢一致,電弧會趨于熄滅。再看點1的右側(cè),當(dāng)電流增大時,dIh/dt大于零,我們看到Uh會不斷減小,Ih不斷增大。也就是說,在點1的右側(cè),dIh/dt的變化方向與電路的發(fā)展趨勢一致,電弧會趨向于增強(qiáng)。于是我們得到一個結(jié)論:點1不是電弧存在的穩(wěn)定點。再看點2:點2的左側(cè),dIh/dt大于零,點2的右側(cè)dIh/dt小于零,正好與電路變化趨勢相反。因此,點2就是電弧存在和持續(xù)燃燒的穩(wěn)定點。由此可見,要讓繼電器觸點間的電弧盡快熄滅,就要消除掉點2這個穩(wěn)定點。如何消除點2?我們由式1結(jié)合圖2可以看到,只要加大電阻R,減小電流Ih,使得圖2中的K點變更到K"點,電弧的伏安特性曲線就高于線路負(fù)載線,電弧的穩(wěn)定點自然就不存在了,以此實現(xiàn)熄弧。圖1中的電阻R,包括兩個部分,其一是線路電阻,其二是串聯(lián)電阻。這里的串聯(lián)電阻就是題主主題所指的電阻。我們來把題主的問題往深里講解一番。當(dāng)觸點打開后,電弧出現(xiàn)。當(dāng)電弧電流越來越小,并且接近于零時,會發(fā)生什么現(xiàn)象?由式1,我們得到:
式2當(dāng)觸點間流過的電流Ih趨于零時,電阻R上的電壓已經(jīng)很低了,故在式2中將它忽略不計,但我們看到,電感產(chǎn)生的反向電動勢倒是強(qiáng)大起來。由于電流是減小的,故dIh/dt<0,因此LdIh/dt前面的負(fù)號其實是正號。如此一來,我們看到電流減小到零的瞬間,觸點間會出現(xiàn)很高的過電壓,并且會加載在周圍的電路元件上,給系統(tǒng)帶來巨大的過電壓沖擊。這個過電壓與電流趨于零的速度有關(guān)。電流趨于零的速度越快,過電壓就越高。由此可見,滅弧速度要合適,不能過快,以此避免過電壓沖擊。我們來看圖3:
圖3:繼電器線圈及瀉放二極管圖3中,我們把晶體管T想象為無觸點繼電器的觸點,當(dāng)晶體管斷開后,繼電器線圈就會產(chǎn)生反向電動勢,并加載在晶體管T上,有可能使得晶體管被擊穿。為此,我們在電路中安裝一只與電源極性相反的二極管D。由于繼電器線圈的反向電動勢方向是下正上負(fù),正好與電源電壓極性相反,所以瀉放二極管對電感的反向電動勢執(zhí)行瀉放。有的時候,瀉放二極管還會串聯(lián)一只電阻,以實現(xiàn)瀉放限流。
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