继电器、并联的二极管和驱动三极管选型实战演练

2023-11-19

  • 继电器选型原则

  • 继电器的选用原则参见下表,在表中“必须确定”栏中有“√”号的项目被确定之后,就可选定一款继电器。如果有进一步的要求,需要进一步考虑“参考”栏中有“√”号的相应项目。

 

 下面对表格中的所有参数进行详细说明:

  1. 触点

 

  1. 1触点负载

    确定继电器所能承受的负载是否满足使用要求时,除了需要确定负载的大小,还要确定实际负载的种类,因为不同的负载有不同的稳态值,见下表。除非另有说明,一般说明书给出的负载是阻性负载

 如下图所示就是宏发的一款继电器,我们可以看到说明书中有触点负载的这一说明:

                  

  1. 2触点材料

 

 

备注:(1) 每种继电器必须要考虑说明书中规定的最大电流值。

           (2) 一般条件允许时,最好在实际使用中进行试验确认。

          (3) 触点的覆金层对于中、小负载性能较好。但对于负载的情况,通常仅用于维护在继电器使用前的触点的初始接触性能。

下图是我所选用的宏发一款继电器,可以看到它的触点材料为AgNi+镀金:

                 

  1. 3电耐久性

        除非另有说明,一般说明书显示的电耐久性是在额定负载、一定温度、负载比和动作频率下测得的标称值,因此对于其它负载种类和切换频率,电耐久性会不同。一般对于 2A 以上的负载,同一款继电器的防焊剂型和防尘罩型的电耐久性比塑封型的要长,因此在环境允许的条件下尽量使用防焊剂型和防尘罩型断电器以提高继电器使用寿命。下图是我所选用的宏发一款继电器,可以看到它的电耐久性参数:

                   

 

2、线圈

2.1、电压

       为了使继电器工作可靠,要保证工作线路能给继电器线圈供给额定电压。在采用晶体管驱动继电器时,由于晶体管本身固有的压降会导致施加在继电器线圈上的电压值低于驱动电路的各值,建议在晶体管驱动电路电压为 5V 时,选用 4.5V 规格的继电器。有时为了缩短继电器动作时间,可以在短时间内给线圈施加最大允许电压,但要确保继电器不会过热,甚至损坏。对于极化继电器,请确认线圈电压的极性。

2.2、线圈电阻

       为了使继电器工作可靠,要保证工作线路能给继电器供给标称的线圈功耗,因此要选择合适的线圈电阻,下图是我所选用的宏发一款继电器,可以看到它的线圈电压和线圈电阻都是有说明的:

 

3、性能

3.1、封装方式

为了保证继电器的可靠性,不同的封装方式对继电器的后加工有不同的要求,见下表所示:

 

备注:

(1)“√”:好;“×”:不好;“△”:注意;

(2)由于塑料具有一定的透气率,所以在有有害气体或要求防爆的情况下请使用密封型继电器。下面是我选用的一款宏发继电器的封装:

                 

4、使用环境

4.1在较大湿度以及粉尘多的环境下,推荐使用塑封型继电器,因为较大的湿度易加速继电器结构零件的锈蚀,粉尘则易使继电器触点失效。在含有机硅的环境下,推荐使用密封型产品,因为有机硅会使继电器加速触点失效。在含 H2S、 SO2、 NO2 等有害气体的环境下,不能使用防焊剂型和防尘罩型,可用塑封型,并在实际使用中进行试验确认。在实际使用中,如果环境气氛比较好,那么推荐使用防尘罩型或防焊剂型继电器,因为防尘罩型或防焊剂型继电器可获得较塑封型更长的电耐久性。

5、外形和安装

5.1、焊接方式选择继电器的引出端均不含铅,推荐焊接温度和时间为:240℃~260℃, 2s-5s。若需要进行回流焊,请确认说明书是否说明该款继电器可以进行回流焊。

5.2、引出端可根据实际情况选择合适的引出端形状和安装方法,如下两表所示:

 

6、其他

  6.1、安全认证一般 UL/CUL 认证适用于北美洲, VDE 和 TüV 认证适用于欧洲,但由于这些认证的国际权威性,其它大部分国家也认可这些认证。

二、继电器选型

        本次的继电器选一个12V供电的【实际要根据控制的负载功率进行选择,以此确定触点端的电流】,本设计中选用5A规格,部分参数如下图所示,从中可知继电器接通触点的动作电压≥9V,断开触点的释放电压≤0.6V,线圈电阻320R,因此设计的三极管开关电路,必须保证开通和截止时的继电器电压满足此要求。

 Ps:对动作电压和释放电压做一个解释:

动作电压:电磁继电器线圈得电,线圈产生感应电动势驱动衔铁带动动触点运动,使动触点与静触点闭合,接通负载电路,达到小电流控制大电流的目的。我们通常这样定义继电器的动作电压,即能驱动衔铁运动使动静触点闭合的最小线圈电压,按照上图中的参数,动作电压最大9V来理解,也就是当线圈得电时,并不是立马动作,而是当线圈两端电压最多上升到9V,也可能是8V,7V,的时候线圈就会动作,总之,这个电压要小于工作电压。

释放电压:继电器闭合后要将负载电路切断,则需要通过控制继电器线圈的电流来达到目的。一般继电器闭合后慢慢的减小线圈电压,当继电器动静触点断开瞬间,此时的电压,我们就称之为释放电压。也就是说线圈电压在0.6V以下的时候,继电器已经完全断开了。

                 三、驱动的三极管及限流电阻选型

首先来看下三极管驱动继电器的原理图:

 

 

 

       开关作用的三极管工作于饱和区与截止区。设计时,只要保证基极电流不小于1mA,那么三极管是可以完全工作在开关状态的,此时功耗大大降低。如果三极管工作在线性放大区的话,将会极大地增加三极管的耗散功率,进而使三极管发热量增大而发烫,甚至损坏。

      三极管:根据继电器的规格书可知,负载电源为12V,负载电流I=12/320=37.5mA。因此三极管的VCBOVCEO至少应大于12V,集电极电流IC应大于37.5mA,最终选择M8050规格参数如下面两图所示

 

     另外,其他的NPN三极管也可以用,常用的型号如下:S8050,9013,3904。

大家可以根据实际情况选用,下图是三个型号饱和时候的压降,也可以对比,选择实际饱和时候功耗最低的管子进行使用。

 

      电阻R2R3:为了使三极管工作在饱和区,基极电流应该大一些,保险起见,至少应大于使用hFE的最低值计算得到基极电流的1.5。此例中,负载电流IC=37.5mA,由上图可知三极管hFE最小值为40,可得基极电流IB=37.5/40=0.9375mA,最终取为2倍大小2mA。由于三极管发射极接地,其电位为0,基极电位比发射极高0.6V,因此,当输入信号为3.3V时,电阻R2两端的压降为(3.3-0.6=2.7VR2=2.7/2=1.35KR,取为1KR。该计算过程省略了流过电阻R3的电流,因此R3取值要大一点,本设计将R3取为10K,流过的电流为0.6/10K=0.06mA,相比基极电流确实可以忽略不计。但R3也不能太大,否则较小的电流通过R3时,容易引起三极管误触发。

四、二极管选型

反向电压应该大于负载电源电压,正向电流大于负载电流,选择1N4148VR=75VIF=200mAIFRM=450mA,如下图所示

 

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