在之前的一篇文章中，我们通过确定继电器关闭所需的时间长度来探索继电器的属性。在这篇文章中，我们将通过探索继电器打开需要多长时间来回答这个补充问题。你会发现这两个问题有很多相似之处，同时也会有一些意想不到的惊喜。
测试电路
测试过程几乎与前一篇文章中使用的相同。图片在这里重复为图1。它包括一个具有代表性的工业继电器加插座，如图2 所示的继电器驱动，以及一个 Arduino Nano Every 来切换驱动。一个 Digilent 示波器 ANALOG DISCOVERY，探头 BNC 适配器。10x 探头允许模拟发现测量高达 +/- 250 VDC的电压。
对高侧驱动程序和 R4 的位置有轻微的修改。将原来的 MPSA56 换成了电压更高的 2N5401 。这是必要的，因为当继电器停用时，我们将遇到更高的电压。R4 电阻移动，使其与反激二极管 D1 串联。
技术贴士 :你可能会反对在这种高压情况下使用 1N4001 二极管。毕竟继电器 K1 的感应反打会发展到近 100V。然而，在这种情况下，1N4001 二极管并没有受到压力，因为当继电器失活时，它会传导约 0.7VDC 的二极管降。在正向方向上，它将遇到一个 24VDC 。预期的电压和电流都在 1N4001 二极管的设计最大值之内。
感应踢腿（Inductive Kick）和反激二极管
能量储存在电感器的磁场中。当我们关闭晶体管 Q2 时，磁场崩溃，导致 K1 线圈上的电压尖峰。如果我们将继电器拟人化，或者更恰当地说，将继电器中包含的电感拟人化，我们可以说电感试图在晶体管 Q2 关断前后保持电流恒定。
与电感相关的“恒流”动作将产生电压。如果没有容器，这个电压将上升到几百伏，甚至超过一千伏，如果有必要维持电流。如果不箝位，这个过高的电压将破坏晶体管 Q2。
回想一下，我们正在使用一个高侧驱动器 (Q2) 的继电器。请花点时间观察这个电压尖峰的极性。许多读者会根据他们以前用低侧NPN晶体管驱动的继电器进行的实验假设一个正尖峰。在本例中并非如此。相反，当 Q2 关断时，在 Q2 集电极处测量到的电压将立即从 24VDC 变为负电压。这个尖峰的幅度只受 R4 电阻和二极管 D4 的正向导通的限制。请回顾图2 示意图，以说服自己，当 Q2 的集电极变为负时，二极管 D4 正偏置。
R4 短路的结果
大多数系统在没有添加电阻 R4 的情况下实现。相反，反激二极管直接放置在继电器的线圈上。这种配置非常常见，以至于本实验中使用的工业继电器包括一个可选的二极管模块，如图3所示。
图3: 实验中使用的 Finder 品牌继电器的反激二极管和 LED 指示灯模块
这种并联二极管效果很好，使用起来也相对简单。不幸的是，它导致一个缓慢的继电器打开。这又回到了上一篇文章中提到的感应时间常数:
\tau = \dfrac{L}{R}
等式中，L 为继电器线圈的电感，R 为继电器内部电阻。与原始驱动电压(本例中为 24VDC )相比，二极管实际上是短路。
回想一下你的学校，在那里你学会了电容放电电路。回想一下最初的充电问题，其中能量通过电阻消散。这没有什么不同。能量储存在电感器的磁场中。当与电源断开时，端子就短路了。所有的能量都在电感的内阻中燃烧，在二极管中有少量能量。
结果如图4 所示。有三个面板:
- 上:橙色迹线 (CH 1) 是在 Q2 集电极处测量到的继电器激活电压。蓝色走线 (CH 2) 是通过R5分流电阻测量的继电器电流。
- 中间:蓝色走线 (CH 2) 是在继电器的常闭 (N.C.) 触点上测量的电压。这个 N.C. 的联系又回到了关闭状态。
- 下:蓝色走线 (CH 2) 是在继电器常开 (N.O.) 触点上测量到的电压。回想一下，我们正在断开继电器的电源。N.O. 触点正在恢复正常状态。
图 4 :继电器的失活波形，包括线圈电流、常闭和常开触点。
根据图4 的数据我们观察到:
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当 N.O. 触点切换时，在 8ms 时首次观察到电枢运动。
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从 8 到 9.5ms 的飞行时间为 1.5ms。在这个“飞行时间”中，既没有 N.O.。N.C. 触点也没有连接到电路上。
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与N.C.接触的第一次接触发生在 9.5ms。
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触点反弹 4.5ms，从 9.5ms 开始，延伸到 14ms。
在前一篇文章中提到的电流中的摆动仍然存在。在飞行时间内的这种变化归因于电感的变化，因为电枢的金属板离开了电感的中央铁芯。
与前一篇文章相比，我们看到具有并联反激二极管的继电器打开相当缓慢。这个继电器在L/R系统中激活 8.8ms，这里定义为从 t0 到最终反弹。它在 14ms 内关闭。
提高打开速度
我们可以通过改变时间常数来提高继电器的速度。完成这项任务的一种方法是与反激二极管串联增加电阻。为了理解它是如何工作的，我们需要考虑继电器激活电路独立于继电器关断电路。这种分段操作涉及由高侧驱动器 Q4 和反激二极管 D1 执行的开关动作。注意，它们是相互独立的，不能同时操作。当继电器由Q4供电时，反激二极管不激活。同样，当 D1 被坍缩磁场正向偏置时，Q4 也不导通。
回想一下，继电器线圈的电阻约为 1kΩ。为了构建 L/2R 系统，我们将与 D1 串联放置一个匹配的 1kΩ 电阻。结果如图5所示:
图5 显示，当 N.O. 触点打开时，继电器失活的第一个信号发生在 5.2 ms。这大约是2倍的速度增加。我们可以推测出关闭和打开时间之间 L/2R 差异的明显差异。也许这与添加的磁性材料以及由此产生的改变电感的难度有关。也许没有负载(较少的材料)的闭合磁芯可以比带有磁性的铁电枢的负载线圈更快地建立磁场。
这是一个改天再探讨的假设。
有想法吗?
至于其他感兴趣的物品，飞行时间略有减少，弹跳时间略有增加。请注意，当继电器关闭时，集电极 Q4 上的电压跳变到大约 -20VDC。这近似为晶体管上的 50VDC 电压降。这完全在所选 2N5401 晶体管的 VCE 额定值之内。
我们可以通过在反激二极管路径上添加额外的串联电阻来进一步实现这一过程。图6显示了将电阻 R4 改为 6.6kΩ 时的结果。第一次观察到变化的时间现在是 2.4ms。成本是 Q2 VCE 电压的显著增加。晶体管现在感受到了-100V 尖峰和 24VDC 导轨之间的差异。这是接近晶体管的 VCE 设计的最大电压。再一次，飞行时间略有减少，触点弹跳没有明显变化。
教训
我们已经把自己逼到墙角了吗?
工程师们的集体智慧告诉我们，更快的继电器失活是一个理想的目标。工作原理是，线圈能量耗散将导致更快的移动触点。这将导致更长的继电器寿命，因为更快的移动触点能够更好地熄灭在负载下打开触点之间自然形成的电弧。
不幸的是，这个有争议的有限实验并不支持这一理论。相反，它表明中继飞行时间与 L/nR 时间常数有松散的关联。回想一下，我们根据双极接触定义了飞行时间。这是电枢处于运动状态的时间，没有连接到 N.C. 或 N.O. 触点。
这种矛盾的想法也得到了触点弹跳时间和那个弹跳的签名的支持。就像篮球一样，移动得更快的接触物不就会有更多的动能，导致它在更长的时间内持续弹跳，弹得更高吗?这似乎并没有发生。
这是一个有趣的实验。接下来我们该怎么做才能更好地理解这些“简单”的继电器呢?
另外
之前的实验结果令人不安，因为它们不支持关于快速接触打开的传统观点。为了获得更多的知识，我们将再次尝试这个实验。这次使用的是如图所示的大型三相接触器。
注意，有必要将双向二极管组件从接触器本体上拆下。这个二极管可以在接触器旁边的盒子上看到。此外，有必要在接触器的顶部添加一个辅助触点模块。这提供了接触 N.O. 和 N.C. 触点的途径。
改进的响应
而不是遵循 L/nR 方法，我使用了在后续文章中介绍的有源钳位。结果如下图所示。
观察这两张图片的水平时间框架是不一样的 。
与反激二极管相比，有源钳位在 18ms 内打开接触器。这是近六倍的速度提高。飞行时间减少了 2倍，约为 4.5ms。
结论
神话确认!
接触器的开启时间在很大程度上取决于线圈的快速退磁。速度似乎更快，这应该导致在负载下的触点更快的灭弧。最后，正如这些可能有限的实验所显示的那样，机械装配的物理特性很重要。对于大型接触器，效果似乎更大。
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