敘述了電子線路中使用繼電器控制功率負(fù)載的干擾現(xiàn)象 ,分析了產(chǎn)生干擾的機(jī)理并提出解決 的方法。研究發(fā)現(xiàn) ,干擾來自于空間耦合 ,干擾源為繼電器觸頭在接通和分?jǐn)嘀挟a(chǎn)生的火花。采用光耦合隔 離 ,可使繼電器穩(wěn)定工作 ,不再發(fā)生誤動(dòng)作。研究結(jié)果的正確性已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中被證明。

1引言

在實(shí)際的自動(dòng)控制系統(tǒng)中常常需要由計(jì)算機(jī) 控制一些大功率的負(fù)載 ,許多情況下 ,繼電器由于 需要的控制功率小、電壓低 ,且容易與計(jì)算機(jī)接口 而得到廣泛的應(yīng)用。例如 :由繼電器控制接觸器 的閉合 ,進(jìn)而控制交流電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行。繼 電器的實(shí)際應(yīng)用電路如圖 1 所示。

圖 1 中負(fù)載為控制感性負(fù)載的中間繼電器的 線圈。單片機(jī)控制三極管導(dǎo)通時(shí) ,繼電器線圈通電 ,常開觸頭閉合 ,使中間繼電器線圈通電 ,交流 電動(dòng)機(jī)工作。

為了解決控制系統(tǒng)的穩(wěn)定問題 ,本文針對(duì)圖 1 所示的電路工作中經(jīng)常出現(xiàn)的誤動(dòng)作 ,研究了 繼電器工作過程中電子線路的電源電壓的變化 , 從中找出了問題的原因。

2 繼電器應(yīng)用中干擾現(xiàn)象的研究

從電路上分析 ,干擾來自空間耦合 ,干擾源應(yīng) 是繼電器觸頭在接通和分?jǐn)嘀虚g繼電器線圈時(shí)產(chǎn) 生的電火花。因?yàn)橹虚g繼電器的線圈是感性負(fù) 載 ,在電路分?jǐn)鄷r(shí) ,電感存儲(chǔ)的能量會(huì)使電路分?jǐn)?困難 ,所產(chǎn)生的電火花的劇烈變化向空間輻射電 磁波 ,從而可能改變單片機(jī)的 I/ O 口電平 ,造成 單片機(jī)電平輸出的不正常變化。為此 ,在電路板 的繼電器常開觸頭上并聯(lián)了阻容吸收電路 ,以減 少觸頭間電火花能量 ,減少誤動(dòng)作的概率。但既 然單片機(jī)依然有誤動(dòng)作 ,經(jīng)分析肯定另有原因 ,很 可能是單片機(jī)的供電電平發(fā)生了變化。因此 ,研究了繼電器常開觸頭分?jǐn)唷⒔油▋蓚€(gè)時(shí)刻的電源 電壓波形。

圖 2 (a) 、(b) 、(c) 分別表示繼電器常開觸頭 接通時(shí)刻的電源電壓波形?？梢钥吹?:在電源電 壓上有時(shí)會(huì)出現(xiàn)跳動(dòng)的尖峰。但是 ,尖峰的幅度、 極性、個(gè)數(shù)和有無是隨機(jī)的 ,這與系統(tǒng)誤動(dòng)作無規(guī) 律是吻合的。

圖 3 (a) 、(b) 、(c) 分別表示繼電器常開觸頭 分?jǐn)鄷r(shí)刻的電源電壓波形?？梢钥吹?:在電源電 壓上也出現(xiàn)了跳動(dòng)的尖峰 ,尖峰的幅度、極性、個(gè) 數(shù)是隨機(jī)的 ,并且每次都會(huì)出現(xiàn)。從實(shí)際系統(tǒng)故 障的過程看 ,接通時(shí)出現(xiàn)誤動(dòng)作的情況要少 ,分?jǐn)?時(shí)誤動(dòng)作要多得多 ,甚至誤動(dòng)作后 ,控制系統(tǒng)不再 起動(dòng)。檢查發(fā)現(xiàn) :單片機(jī) 8255 上靠近內(nèi)部芯片的 表層處出現(xiàn)了焦糊的現(xiàn)象 ,結(jié)合觀察到電源電壓 的上跳幅度 ,應(yīng)該是出現(xiàn)了高電壓燒壞了芯片。 分析繼電器的結(jié)構(gòu) ,認(rèn)為出現(xiàn)高電壓的原因是繼 電器的常開觸頭與控制線圈被封在很小的空間 中 ,當(dāng)觸頭出現(xiàn)火花 ,變化的電磁場(chǎng)在繼電器的控 制線圈中感應(yīng)出了高電壓 ,這個(gè)高電壓作用于單 片機(jī)的供電電壓系統(tǒng) ,使單片機(jī)的電源電壓出現(xiàn) 了尖峰 ,電壓波動(dòng)的上、下限超過了單片機(jī)允許的 供電范圍 ,單片機(jī)內(nèi)部是微電子集成的各種門電路 ,電壓波動(dòng)會(huì)使門電路工作失常 ,因此 ,出現(xiàn)了 預(yù)料之外的輸出結(jié)果。

繼電器火花在接通時(shí)小是由于觸頭在接近時(shí) 開始產(chǎn)生火花 ,但觸頭很快閉合 ,火花消失 ;而在 繼電器觸頭分?jǐn)鄷r(shí) ,剛剛分開就有火花產(chǎn)生 ,觸頭 分開的距離加大 ,火花也加大 ,直到電源提供的能 量不能維持火花的存在 ,火花才熄滅。因此 ,繼電 器分?jǐn)鄷r(shí)候的火花要大得多 ,使分?jǐn)鄷r(shí)電源電壓 上出現(xiàn)更多的尖峰 ,單片機(jī)出現(xiàn)誤動(dòng)作現(xiàn)象會(huì)比 接通時(shí)要多

3 繼電器抗干擾措施

為了杜絕繼電器工作時(shí)因干擾發(fā)生誤動(dòng)作 , 必須使單片機(jī)的電源電壓與繼電器線圈的供電電 壓隔離。采用光電隔離措施將繼電器供電電壓與 單片 機(jī) 供 電 電 壓 隔 離 , 實(shí) 際 電 路 中 采 用 了 TL P521 光耦 ,副邊電源電壓的波動(dòng)僅僅作用在 光耦的輸出極上 ,光耦的耐壓為 55 V ,可以滿足 電壓尖峰的變化幅度范圍 ,電路如圖 4 所示。

經(jīng)過光耦的隔離 ,繼電器工作穩(wěn)定 ,不再有誤 動(dòng)作發(fā)生 ,即使常開觸頭不加阻容吸收回路 ,也不 再出現(xiàn)誤動(dòng)作 ,說明誤動(dòng)作是電源電壓波動(dòng)引起 的 ,而空間的電磁波輻射只要不在繼電器控制線低壓電器( 2002 №4)。

圈中產(chǎn)生過高感應(yīng)電壓疊加在單片機(jī)供電電源 上 ,就不會(huì)影響單片機(jī)的正常工作。上述結(jié)論是 在交流電動(dòng)機(jī)為 1 kW 的情況下得出的。

4 大功率交流電動(dòng)機(jī)控制的建議 光耦隔離雖然解決了單片機(jī)的工作穩(wěn)定性 , 但繼電器常開觸頭火花會(huì)使它的觸頭壽命受到影 響 ,而且當(dāng)分?jǐn)?、接通的電流大時(shí) ,輻射能量加大 , 也許會(huì)出現(xiàn)新的難以預(yù)料的異常現(xiàn)象。因此 ,建 議用雙向可控硅式光耦進(jìn)行強(qiáng)、弱電隔離 ,如圖 5 所示。

圖 5 中 ,當(dāng)光耦的原邊有電流輸入 ,則光耦副 邊的雙向可控硅導(dǎo)通 ,而負(fù)載電源電壓大到一定 值時(shí) ,經(jīng)過光耦副邊給大功率光耦門極注入觸發(fā)

電流 ,大功率雙向可控硅導(dǎo)通 ,負(fù)載通過電流 ,由 于沒有機(jī)械開關(guān) ,就沒有火花產(chǎn)生 ,也就不會(huì)干擾 單片機(jī)控制系統(tǒng)的工作。這樣 ,同時(shí)解決了觸頭 產(chǎn)生電火花的干擾問題和觸頭磨損的電壽命問 題。需要注意的是 ,當(dāng)負(fù)載電源的電壓低、負(fù)載電 流小時(shí) ,雙向可控硅的電流要到達(dá)維持電流才能 正常使用。

5結(jié)語

繼電器控制交流電動(dòng)機(jī)時(shí)出現(xiàn)誤動(dòng)作是繼電 器觸頭火花的電磁波從空間耦合到繼電器控制線 圈 ,引起感應(yīng)電勢(shì) ,造成單片機(jī)供電電壓的波動(dòng) , 使電壓出現(xiàn)尖峰造成的。將這個(gè)電壓尖峰與單片 機(jī)的供電電源隔離 ,可消除繼電器的誤動(dòng)作。關(guān)鍵詞：16路IO控制