# 閉合繼電器需要多長時間？

**URL:** <https://forum.digikey.com/t/topic/44128>\
**Category:** 產品技術提示\
**Tags:** arduino, digilent-inc\
**Created:** [August 15, 2024, 1:03am UTC](https://forum.digikey.com/t/topic/44128 "2024-08-15T01:03:23Z")\
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**Author:** ![Kevin\_6462](https://sea2.discourse-cdn.com/digikey/user_avatar/forum.digikey.com/kevin_6462/32/8856_2.png) [@Kevin\_6462](https://forum.digikey.com/u/Kevin_6462)\
**Post date:** [August 15, 2024, 1:03am UTC](https://forum.digikey.com/t/topic/44128/1 "2024-08-15T01:03:23Z")

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## 我們可以多快的速度閉合繼電器？

這個問題涉及的因素太多，無法給出明確的答案。然而，關於繼電器行為和物理學有一些有趣的學習機會。這包括考慮電樞與螺線管磁芯物理接觸時的磁特性（電感）、飛時測距（Time of Flight）、接觸彈跳以及電源電壓的影響。掌握了繼電器動力學知識，您可以更好地解釋繼電器的規格書並改進您的下一個設計。

## 測試電路以確定繼電器閉合時間

為了回答這個問題，我們可以使用圖1 所示的設定以及圖 2 所示的線路圖進行實驗。該設置包括一個代表性的工業[繼電器](https://www.digikey.tw/zh/products/detail/finder-relays-inc/46-52-9-024-0040/10055863)加[插座](https://www.digikey.tw/zh/products/detail/finder-relays-inc/97-02/10056065)、線路圖所示的繼電器驅動器以及用於打開和關閉驅動器的 [ARDUINO NANO EVERY](https://www.digikey.tw/zh/products/detail/arduino/ABX00033/10239972)。同時亦使用 [Digilent](https://www.digikey.tw/zh/supplier-centers/digilent) 的 [ANALOG DISCOVERY 3](https://www.digikey.tw/zh/products/detail/digilent-inc/471-060/19235252)，探頭適配器和 10X 探頭來記錄訊號。

 ![image](https://global.discourse-cdn.com/digikey/original/3X/a/4/a483e1e46ef4c1597cdc34a226aeaf61324abf85.jpeg)

**圖 1** ：測量繼電器啟動時間的測試設定。

繼電器驅動器可能看起來過度設計。然而，Q2 高側驅動器（源配置）對於將繼電器接地是必需的。這允許安裝小值分流電阻器（R5）。當此電阻器處於接地位置時，可以輕鬆測量繼電器的電流，即已知電阻器上的小電壓降。

電路的其餘部分由電平轉換電晶體 Q1 和透過常閉（N.C.）和常開（N.O.）指示燈 LED 檢測繼電器狀態的方法組成。

我們不要忘記跨繼電器線圈放置的 D1 反激二極體。當繼電器停用時，需要使用二極體來保護電晶體 Q2。了解此二極體對繼電器的活化沒有影響，但對繼電器的閉合有深遠的影響。也許將來我們可以回答一個有關打開繼電器所需時間的相關問題。

 ![image](https://global.discourse-cdn.com/digikey/original/3X/9/b/9b9b9401dd25c921b4759c968fa2a654d8ec29c4.png)

**圖 2** ：具有高側 PNP 繼電器驅動器（Q2）和分流器（R5）的原理圖。

## 實驗結果

結果如圖 3 所示。這是三面板顯示：

- 上圖：橘色跡線（CH 1）是在 Q2 集電極處測量的繼電器活化電壓。藍色跡線（CH 2）是在 R5 分流電阻器上測量的繼電器電流。

- 中圖：藍色跡線（CH 2）是在繼電器常閉觸點上測量的電壓。

- 下圖：藍色跡線（CH 2）是在繼電器常開觸點上測量的電壓。

> 技術提示：Digilent Analog Discovery 3 作為雙通道示波器運作。當配備 10 倍探頭時，它能夠測量高達 +/- 250VDC 的訊號。如果使用 4 通道示波器，則圖 3 的複合圖可以建構為單一螢幕截圖。

 ![image](https://global.discourse-cdn.com/digikey/original/3X/0/f/0fdfcc62153479c755545ce6881abb82dda80476.jpeg)

**圖 3** ：繼電器的活化波形，包括線圈電流、常閉觸點和常開觸點。

根據圖 3 數據，我們觀察到：

- 當常閉觸點切換時，首先在 4.7ms 時觀察到電樞運動。

- 從 4.7ms 到 7.6ms 有 2.9ms 的飛時測距。在這個「飛時」中，無論是 N.C. 或 N.O. 觸點連接到電路。

- 與 N.O 的第一次接觸接觸發生在 7.6ms。

- 觸點彈跳 1.2ms，從 7.6ms 開始，一直延伸到 8.8ms。

除了這些接觸變化之外，繼電器電流也有細微的下降。這發生在電樞運動時。據推測，當電樞的鐵板與線圈的金屬芯物理接觸時，繼電器電感會改變。線圈電感的突然變化擾亂了繼電器電流的平緩斜率。請注意，如果電樞靠在線圈上就位，則不會發生這種幹擾。

## 如何減少繼電器的閉合時間？

為了減少繼電器閉合時間，我們可以應用一些通常與步進馬達相關的技巧。回想一下，這是同樣的問題。具體來說，我們如何迫使電流進入電感器。回想一下，電感器的時間常數（ \tau ）定義為

\tau = \dfrac{L}{R}

### 使用外部電阻來減少 RL 時間常數，從而減少繼電器閉合時間

我們選擇的電感器，無論是繼電器還是步進馬達線圈都有固定的電感。它還具有固定電阻。然而，沒有什麼可以阻止我們透過實施 L/nR 系統來增加額外的外部電阻來降低 \tau ，其中 n 是線圈電阻的乘數。例如，我們可以將串聯電阻加倍。此 L/2R 系統將 \tau 減少至50%。同樣，L/4R 系統會將 \tau 減少至 1/4 。

此外部電阻的代價是額外的電壓和浪費的功率。我們的 24VDC 繼電器在 L/2R 中需要 48VDC，在 L/4R 中需要 96VDC。繼電器功率增加 2 倍和 4 倍。

### 使用高壓脈寬調變（PWM）驅動器減少繼電器閉合時間

讓我們回過頭來認識到，用於繼電器的 L/4R 系統正在進入瘋狂的領域。另一方面，96VDC 的 PWM 驅動器也不是不可能。這將允許建立響應性磁場，並能夠在初始突發後將 PWM 節流至較低的「保持」水平。

## 減小時間常數所得的實驗結果

話雖如此，讓我們看看 L/2R 系統如何改善情況。對於本實驗，我們將添加 R4，如圖 2 線路圖所示。我們還將電源電壓提高至 48VDC。結果如圖 4 所示。

 ![image](https://global.discourse-cdn.com/digikey/original/3X/c/6/c6ae63bda6712281be22b2c2f876f2e3e1a4d843.jpeg)

**圖 4** ：在 L/2R 環境中運作時繼電器的啟動波形。

請注意，圖 3 和圖 4 的穩態電流相同。雖然我們將電壓加倍，但 R4 串聯電阻與線圈電阻大致相同。因此，它們形成了平衡分壓器。

圖 4 中顯示的結果與圖 3 相比有顯著改進。它已從 4.7ms 更改為 2.4ms。這遵循 L/2R 計算建議的 2 倍加速。觀察到飛行時間略有減少，彈跳時間也有輕微但不明顯的改善。這表明電感（磁場的累積）是繼電器活化的限制因素。彈簧張力和金屬對金屬彈跳的物理原理相對一致。

再次注意繼電器電流的下降。這是由於金屬電樞「吸引」板靠近繼電器線圈而導致的電感變化。

## 結論

這是一個有趣的小實驗！您學過電感和繼電器操作嗎？更重要的是，我相信您將對繼電器的規格書能更了解。