在前一篇文章中，我們透過測定繼電器閉合所需的時間來探討其特性。本文將解答與之互補的問題：繼電器斷開所需的時間。您會發現這兩個問題有很多相似之處，同時也會發現一些意想不到的驚喜。
如果您尚未閱讀前一篇文章，請先閱讀。請重點關注有關時間常數和 L/nR 符號含義的內容。
測試電路
測試步驟與上一篇文章中的幾乎相同。此處沿用圖 1 所示的電路。電路包括一個典型的工業繼電器及插座、如圖 2 所示的繼電器驅動器，以及一個用於切換驅動器的 Arduino Nano Every。此外，還使用了 Digilent Analog Discovery 3 類比量程分析儀，配備 BNC 探頭配接器。10 倍型（10X）探頭使 Analog Discovery 能夠測量高達 +/- 250 VDC 的電壓。
高側驅動器和 R4 的位置略有改變。原有的 MPSA56 被替換為耐壓更高的 2N5401。這是必要的，因為繼電器停用時我們會遇到更高的電壓。電阻 R4 的位置也進行了調整，使其與返馳二極體 D1 串聯。
技術提示：您可能會對在高壓情況下使用 1N4001 二極體有所顧慮。畢竟，繼電器 K1 的感應反沖電壓將接近 100V。然而，在這種情況下，1N4001 二極體不會承受過大的壓力，因為它在繼電器斷開時僅承受約 0.7VDC 的二極體壓降。正向運轉時，它將承受 24VDC 的電壓。預期的電壓和電流均在 1N4001 二極體的設計最大值範圍內。
感應反沖和返馳二極體
電感器的磁場中儲存著能量。當電晶體 Q2 關閉時，磁場消失，導致 K1 線圈兩端出現電壓尖峰。如果我們將繼電器（或更準確地說，繼電器內部的電感器）擬人化，我們可以說，電感器「嘗試」在電晶體 Q2 關閉前後保持電流恆定。
電感器產生的「恆定電流」作用會產生電壓。如果沒有限制，為了維持電流，電壓會上升到幾百伏特甚至上千伏特。如果不進行箝位，過高的電壓會損壞電晶體 Q2。
請記住，我們使用高側驅動器（Q2）來驅動繼電器。請花點時間觀察這個電壓尖峰的極性。許多讀者會根據先前使用低側 NPN 電晶體驅動繼電器的實驗經驗，認為這是一個正向尖峰。但在這個例子中並非如此。相反，當 Q2 關閉時，其集電極上的電壓會立即從 24VDC 變為負電壓。此尖峰的幅度僅受電阻 R4 和二極體 D1 正向導通的限制。請查看圖 2 的電路圖，確認當 Q2 的集電極變成負電壓時，二極體 D1 處於正向偏壓狀態。
圖 2：包含高側 PNP 繼電器驅動器 (Q2) 和電流分流器 (R5) 的原理圖。
R4 短路時的結果
大多數系統在實現時無需添加電阻 R4。而是將返馳二極體直接並聯在繼電器線圈兩端。這種配置非常常見，以至於工業繼電器（例如本實驗中使用的繼電器）都包含一個可選的二極體模組，如圖 3 所示。
這種並聯二極體有效且使用相對簡單。但缺點是會導致繼電器導通速度較慢。這與前文提到的電感時間常數有關：
\tau = \dfrac{L}{R}
其中 L 為繼電器線圈的電感，R 為繼電器內部電阻。與原始驅動電壓（本例中為 24VDC）相比，二極體實際上相當於短路。
回想一下你在學校學到的電容放電電路。還記得最初的充電問題嗎？能量會耗散在電阻上。這和電容放電電路的原理相同。能量儲存在電感器的磁場中。當電感器與電源斷開時，兩端短路。所有能量都消耗在電感器的內阻中，只有極少量能量消耗在二極體中。
結果如圖 4 所示。圖 4 包含三個子圖：
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上圖：橘色曲線（通道 1）為在 Q2 集電極測得的繼電器活化電壓。藍色曲線（通道 2）為在分流電阻 R5 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 (N.C.) 接點上測得的電壓。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 (N.O.) 接點上測得的電壓。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 4 的數據，我們觀察到：
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在 8ms 時，常開觸點發生跳動，此時電樞開始移動。
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從 8ms 到 9.5ms 存在 1.5ms 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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常閉觸點在 9.5ms 時首次接通。
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觸點從 9.5ms 開始跳動 4.5ms，持續到 14ms。
前文提到的電流波動仍然存在。這種在飛行時間內發生的變化歸因於電樞的金屬板與電感器中心鐵芯分離時電感的變化。
與前文相比，我們發現有並聯返馳二極體的繼電器導通速度較慢。在 L/R 系統中，此繼電器從 t_0 到最終反彈需要 8.8ms，閉合則需要 14ms。
提高繼電器開合速度
我們可以透過改變時間常數來提高繼電器的開合速度。一種方法是在續流二極體上串聯一個電阻。為了理解其工作原理，我們需要將繼電器的激活電路與繼電器的關斷電路視為相互獨立的。這種分段操作涉及高側驅動器 Q4 和續流二極體 D1 的開關動作。請注意，它們彼此獨立，不會同時工作。當繼電器由 Q4 供電時，續流二極體不會導通。同樣，當 D1 因磁場衰減而正向偏壓時，Q4 也不會導通。
請記住，繼電器線圈的電阻約為 1kohm。為了建構一個 L/2R 系統，我們將一個匹配的 1kohm 電阻與 D1 串聯。結果如圖 5 所示：
圖 5 顯示，繼電器停用的第一個跡像出現在常開觸點斷開時，時間為 5.2ms。這大約相當於速度提高了 2 倍。我們可以推測 L/2R 環境下合閘和分閘時間的明顯差異。或許這與增加的磁性材料以及由此導致的電感難以改變有關。或許，未負載（材料較少）的閉合磁芯比帶有磁性鐵芯的負載線圈更快地建立磁場，從而導致磁場衰減速度更快。
這是一個值得日後探討的假設。
大家有什麼想法？
至於其他值得關注的方面，飛行時間略有縮短，反彈時間略有增加。請注意，當繼電器斷開時，集電極 Q2 上的電壓會躍升至約 -20VDC。這相當於晶體管兩端約 50VDC 的壓力降。此壓降遠低於所選 2N5401 電晶體的 V_{CE} 額定值。
我們可以透過在返馳二極體路徑上增加串聯電阻來進一步研究這個過程。圖 6 顯示了將電阻 R4 改為 6.6kohm 後的結果。首次可觀察到的變化時間為 2.4ms。但代價是 Q2 的 V_{CE} 電壓顯著增加。電晶體現在承受 -100V 尖峰電壓和 24VDC 電源軌電壓之間的差異。這已接近電晶體的 V_{CE} 設計最大電壓。飛行時間再次略有減少，但觸地反彈沒有明顯變化。
經驗教訓
我們是否陷入了困境？
工程師的集體智慧告訴我們，更快的繼電器斷開速度是理想的目標。其基本原理是，線圈能量的耗散將導致觸點移動速度更快。由於觸點移動速度更快，能夠更好地熄滅負載下觸點間自然形成的電弧，因此繼電器的使用壽命應該會更長。
遺憾的是，這項有爭議的有限實驗並不支持上述理論。相反，它表明繼電器的飛行時間與 L/nR 時間常數有微弱的關聯。回想一下，我們之前是用雙極觸點來定義飛行時間的。飛行時間是指電樞金屬運動但未與常閉觸點或常開觸點連接的時間。
觸點彈跳時間和彈跳特徵也支持這種看似矛盾的觀點。就像籃球一樣，運動速度更快的觸點不應該擁有更大的動能，從而彈跳得更高，並持續彈跳更長時間嗎？但實際情況並非如此。
這是一項有趣的練習。接下來我們應該做些什麼來更好地理解這些「簡單」的繼電器呢？
歡迎下面留言及提問。
附：另一文章介紹了一種擺脫這種速度困境的方法： MOSFET 主動箝位：反對使用繼電器並聯返馳式二極體