在繼電器線圈兩端並聯一個返馳式二極體是常見的做法。事實上，製造商通常會將二極體整合到繼電器插座中，有時甚至直接整合到繼電器封裝內。這種近乎普遍的做法證明了該方案的實用性和可靠性。儘管如此，返馳式二極體並非理想的解決方案。在繼電器的開路速度方面，我們還有進步的空間。
本文探討了返馳式二極體的局限性，並提出了一種採用主動箝位 MOSFET 的快速感應放電電路。此電路通過快速耗散電感器的磁場，進而提高物理接點的移動速度，實現繼電器更快的斷開。這有望透過減少繼電器接點斷開時產生的電弧，提高工業控制系統的使用壽命和性能。
本文著重於使用分立元件的理論和實踐學習，但也有整合解決方案可供選擇。例如，ADI（Maxim）的 MAX14912 工業級速度開關就是這篇文章的靈感來源。隨著這些元件的普及，我們或許可以預見，未來可程式邏輯控制器 (PLC) 製造商將不再建議使用常見的返馳式二極體。
在深入探討之前，我建議您先閱讀以下列出的輔助文章，以了解必要的背景知識。這些文章介紹了繼電器開合的原理以及與電感式L/R時間常數的關係等基本資訊。
回顧
在前幾篇文章中，我們探討了機電繼電器開合時的時間延遲特性。如前文所述，繼電器的動作主要取決於線圈電感相關的時間常數。要啟動繼電器，必須先建立磁場；同樣，要斷開繼電器，必須先消除磁場。其響應由下列方程式控制：
\tau = \dfrac{L}{R}
其中 L 為線圈的電感，R 包括線圈的固有電阻以及外部電阻。
繼電器的 L/R 時間常數隱含著電壓依賴性。請注意：
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V_{Applied} = V_{Relay} + (I_{Relay} \ x\ R_{External})
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V_{Flyback} \approx I_{Relay} \ x \ R_{External}
例如，考慮一個設計用於 24VDC 系統的繼電器，其線圈阻值為 500ohm。假設電路為 L/2R 系統，則電路將包含一個 500ohm 的外部電阻，並且需要 48VDC 的電源。這額外的 500ohm 外部電阻大約會使磁場擴展速度翻倍，從而顯著提高繼電器的閉合速度。
繼電器停止活動的情況也類似。這裡，與返馳式二極體串聯的額外電阻會導致磁場更快衰減，從而相應地提高繼電器的斷開速度。
值得注意的是，前幾篇文章的結尾令人失望。對於所選的工業繼電器，電感時間常數與理論相符。然而，觸點的實際移動速度並沒有改變。飛行時間（SPDT 觸點改變狀態所需的時間）和回彈時間基本上保持不變。但是，本文所述的實驗情況有所不同。我們使用 MOSFET 主動箝位電路，實現了繼電器磁場的快速放電以及接點速度的提升。
主動 MOSFET 箝位電路
測試電路如圖 1 所示，對應的原理圖如圖 2 所示。乍一看，該電路似乎設計得過於複雜。畢竟，完全可以使用一個低側 MOSFET，並將繼電器連接到其汲極來啟動繼電器。話雖如此，讓我們來分析一下該電路：
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Arduino Nano Every 透過光耦合連接到驅動電路，這提供了一定的安全性。尤其是在試驗電路板上搭建具有高壓尖峰的電路時，這一點十分重要。光隔離也隔離了接地線，從而將 Arduino 和驅動 PC 與實驗電路隔離。
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電晶體 Q1 和 Q2 用作電平轉換器。它們將以地為參考的命令訊號轉換為高於 24VDC 電源軌的電壓。這是必要的，因為高側 MOSFET 的閘極必須驅動到比 24VDC 電源軌高約 10VDC 的電壓。
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電荷泵透過電晶體 Q2 為 MOSFET 的閘極提供電壓。
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繼電器本身由 MOSFET Q3 驅動。
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右側的電路可讓我們監控繼電器的常開 (N.O.) 和常閉 (N.C.) 接點。
我們剛才描述的這個系統並不特別。雖然結構複雜，但從 Arduino 到繼電器線圈，A、B、C、D 的啟動過程是完全一致的。當我們注意到系統中沒有返馳式二極體時，其目的就顯而易見了。這並非錯誤，因為二極體並非必要。
技術提示：許多 MOSFET 都包含一個本體二極體，其電流處理能力與 MOSFET 主動通道相當。對於 N 通道 MOSFET，此二極體向上，陽極連接到源極，陰極連接到 MOSFET 汲極。
你可能會認為返馳式二極體是不必要的，因為 MOSFET 的本體二極體已經實現了反激功能。但事實並非如此，因為極性接反了。實際上，在這個系統中，MOSFET 的本體二極體始終處於非正向偏壓狀態。
你可能熟悉繼電器的低側驅動器。當繼電器斷開時，我們預期會看到一個正向電壓尖峰。但對於高側驅動器來說並非如此。相反，當從 MOSFET 的源極到地測量時，我們看到的反激電壓是一個負向尖峰。理解這個負向尖峰對於理解 MOSFET 箝位電路的工作原理十分重要。
假設 Q2 剛剛被關斷。從電路分析的角度來看，R8 左側的所有元件都被移除。繼電器線圈中仍有能量，MOSFET 源極的電壓相對於地迅速變成負值。這種情況會持續到由二極體 D3 和 D6 組成的箝位電路導通為止。當穩壓二極體 D6 導通時，MOSFET 的閘極電壓接近 100VDC。
此時，MOSFET 的閘極停止移動。當 V_{DS} 再次變成正值時，MOSFET 開始導通。實際上，我們剛剛形成了一個反饋迴路，該迴路維持 V_{DS} 的電壓恆定。在本例中，MOSFET 兩端的電壓近似等於穩壓二極體的電壓。
透過上述分析，我們可以看出，續流二極體以及任何用於減少 L/R 時間常數的電阻都不再必要。 MOSFET 本身就承擔了這三個元件的功能。它同時充當繼電器驅動器、可變電阻器和返馳式二極管，用於箝位繼電器的返馳電壓。
請注意，此電路旨在改善繼電器的斷開速度，而對提高繼電器的接通速度並無影響，因為接通速度完全取決於繼電器固有的 L/R 時間常數。
結果
圖 3 所示結果採用與前幾篇文章中介紹的相同基本設定。圖中包含三個子圖：
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上圖：橘色曲線（通道 1）為在 MOSFET Q2 源極測得的繼電器啟動電壓。藍色曲線（通道 2）為在分流電阻 R10 兩端測得的繼電器電流。
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中圖：藍色曲線（通道 2）為在繼電器常閉觸點上測得的電壓。此時，該常閉觸點正在恢復閉合狀態。
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下圖：藍色曲線（通道 2）為在繼電器常開觸點上測得的電壓。此時，繼電器處於斷電狀態。常開觸點正在恢復斷開狀態。
根據圖 3 的數據，我們觀察到：
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在 2ms 時，常開觸點跳動時，首次觀察到銜鐵運動。
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在 1.9ms 到 2.8ms 之間存在 0.9ms 的「飛行時間」。在此「飛行時間」內，常開觸點和常閉觸點均未連接到電路。
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常閉觸點首次接觸發生在 2.8ms。
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觸點從 2.8ms 開始跳動，持續 7.2ms，直至 10ms。
這些是之前所有實驗中記錄的最佳結果。首次觀察到的運動時間為 1.9ms，飛行時間為 0.9ms，表現非常出色。然而，跳動時間顯著增加，幾乎是先前測試中觀察到時間的兩倍。
雖然繼電器穩定時間的增加通常不理想，但這仍然是一個好結果。它真實地表明觸點的運動速度有所提高。如前文所提到的籃球比喻，動能較大的球會彈跳得更高，持續時間也更長。在這個例子中，觸點的情況似乎也是如此。
結果解讀
如本系列文章多次所述，線圈的 L/R 時間常數是繼電器啟動和斷開時間的主要影響因素。為了更好地理解 MOSFET 主動箝位電路的工作原理，我們用一個 30H 的 Hammond 電感器取代了繼電器。結果如圖 4 所示。
技術提示：如圖 4 所示，電壓波形會出現振鈴現象。這是包含電感和電容元件的電路的典型特徵。無功元件包括繼電器線圈的電感、固有的線間電容以及 C1/R11 緩衝電路中儲存的能量。
橘色（通道 1）曲線顯示了箝位動作。我們可以看到 MOSFET 的源極-地電壓被保持在約 78VDC。加上 24VDC 電源軌後，MOSFET 的 V_{GS} 電壓約為 100VDC。電感電流顯示在藍色（通道 2）曲線中。
這條曲線與我們直覺上的預期不符。它並不遵循 RC 或 RL 電路的指數曲線。原因是該電路中的電阻並非恆定。相反，我們看到電阻隨時間增加。當我們考慮時間常數方程式時，我們發現，在主動箝位的情況下，時間常數 \tau 的減小速度比電阻固定時更快：
\tau = \dfrac{L}{R_{increasing}}
因此，繼電器磁場中的能量會傳遞給 MOSFET 並以熱量的形式耗散。圖 4 中計算出的電阻值代表 MOSFET 在每個時刻的有效 V_{DS} 電阻。例如，紅線對應的計算公式為：
R_{MOSFET} = \dfrac{V_{DS}}{I} = \dfrac{24 - (-78)}{0.035} = 2.9\ k\Omega
再次強調，增加電阻有助於縮短時間常數。然而，這必須與繼電器驅動器的設計最大電壓相平衡。在圖 2 原理圖中，承受最大應力的元件是 Q2 PNP 電晶體。此電晶體的 V_{CE} 電壓接近 115VDC，已接近其 150VDC 的設計最大電壓。
結論
本文介紹的電路並非最優電路，而是由易於取得的元件快速組裝而成。我相信它已達到預期目的，並為您建造自己的電路提供了一個起點。您可以以此為基礎繼續進行實驗。首先需要改進的電路元件是電荷泵。更大的電流加上更強大的電平轉換器，可以為 MOSFET 提供更低的驅動阻抗。
如本文開頭所述，市面上有一些驅動 IC 以精巧的封裝實現了此功能。這些 IC 也包含本文未涉及的限流電路和 MOSFET 發熱檢測電路。例如，MAX14912 就以小巧的 56-QFN 封裝提供了八個這樣的驅動器。此元件設計用於許多工業控制系統常用的 24VDC 電源。
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