“疑问”由技术专家回答。

客户的各种产品上都使用了欧姆龙的继电器,但在设计时需要考量的内容多种多样,比如线圈的逆起电压或保持电压、直流继电器使用时的磁场影响等。为了让客户更加舒适、轻松地使用欧姆龙的继电器,本页面就来自客户的常见咨询内容进行简明易懂的讲解。
有关功率继电器的任何“疑问”,也请随时联系欧姆龙的技术人员进行咨询。

欧姆龙解疑 01.线圈的逆起电压应采取什么对策?

阻断继电器的线圈电压时所生逆起电压会使电路上的各种单元产生过电压,由此而导致故障或损坏等,因此需要采取抑制逆起电压的相应对策。
如果是DC线圈,一般大多使用二极管,但对于部分大容量继电器,因会导致接点断开速度下降、并对电气耐久性造成严重影响,所以建议不要单用二极管,而是与齐纳二极管组合使用

01-01 只用二极管的话会怎样?

二极管因其正向电压降较小,所以功率消耗速度较慢,线圈电流的持续时间会变长。线圈的磁力因依赖于线圈电流,所以线圈电流的衰减时间较长时会导致继电器的接点断开速度变慢,从而诱发接点的早期熔敷故障。

二极管时的电路图

一般来说,二极管的正向电压降在1V左右以下,单位时间的平均消耗功率较小。

二极管时的波形

如下图所示,将齐纳二极管与二极管串联时,线圈电流的衰减时间会因齐纳二极管的较大电压降而缩短,从而使继电器接点的断开速度变快,由此可防止接点的早期熔敷所致故障。

二极管+齐纳二极管时的电路图

因为齐纳电压=电压降,所以与二极管相比,单位时间的平均消耗功率较大。

二极管+齐纳二极管时的波形

齐纳电压过低时,提高接点断开速度的效果将会下降。
因此,请按机型分别选择合理的齐纳电压。

01-02 合理的齐纳二极管电压是多少?

如上图所示,将齐纳二极管与二极管串联时,线圈电流的衰减时间会因齐纳二极管的较大电压降而缩短,从而使继电器接点的断开速度变快,由此可防止接点的早期熔敷所致故障。另一方面,齐纳电压过低时,会导致接点断开速度变慢。此外,齐纳二极管的电压过高时,可能会对外围单元产生恶劣影响。 因此,请按机型分别设定合理的齐纳电压。

机型 推荐齐纳电压
*线圈额定电压比
G9KA 2~3倍
G7EB 3倍
G9KB 3倍
G7L-X 1~2倍
G2RG-X 3倍
G5PZ-X 1~3倍

与齐纳二极管并用时,请使用电压高于齐纳电压、且正向电流高于线圈额定电流的二极管。
关于各机型的推荐齐纳电压,请查看左表。

01-03 逆起动势对策中不能使用压敏电阻吗?

可使用压敏电阻来代替二极管+齐纳二极管的组合。
这种情况下,也是与二极管+齐纳二极管相同的线圈电流波形。

压敏电阻时的电路图

推荐压敏电阻电压一般与推荐齐纳电压相同,但如果小于电源电压的最大值,则可能无法向线圈施加精准电压,故请务必选定压敏电阻电压大于电源电压最大值的产品

欧姆龙解疑 02.如何降低线圈消耗功率?

继电器的线圈在ON状态(施加电压状态)下会消耗一定的功率。也就是说,在运转中会持续消耗功率。
如果是持续保持ON状态的应用等,通过使施加功率后的电压降低至保持电压区域的方式,可将线圈的节电削减50~80%左右
※根据线圈规格而异。
此外,在大容量继电器中,还有必须在保持电压下使用的商品。请确认数据表的注意事项。

要想使继电器全面运转,必须按以下步骤施加电压,这也作为向继电器线圈施加电压的步骤。

  1. 向各继电器施加0.1秒以上(规定时间范围)的初始运转所需电压(额定电压)
  2. 执行步骤1后,使外加电压降低至保持电压范围。


注1:请务必持续施加规定时间以上的额定电压。
注2:请确保电压施加范围不会超出记载的电压范围。

G7EB范例

执行设定时,请确保不会因为线圈的电压变动等而超出此范围。

※如左图所示,仅限在接点端子在下方向安装时为125%~135%。

欧姆龙解疑 03.推荐施加保持电压的电路有哪些种类?

“在02 如何降低线圈消耗功率?”中已经进行说明,将线圈设定为保持电压后即可削减消耗功率。此外,为了维持额定特性,还有必须在保持电压下使用的继电器。请在使用前查看各机型的数据表,确认大容量功率继电器的保持电压额定值。

下面介绍几种推荐的保持电压电路的方式。

03-01 何谓CR方式?

CR方式是由电容器(Capacitor)和电阻(Resistor)构成的电路,是实现保持电压所需的最简单的结构。电容器与电阻并联后构成电路。施加于线圈的电压会根据电容器的充电状态而发生变动。

请确定电阻值R,确保线圈电压在各机型规定的保持电压范围。选择合理的电容器和电阻值,可调整保持电压的持续时间和稳定性。因为没有物理性消耗元件,所以有望长期使用。而另一方面,需注意因电容器老化而导致的故障。

保持电压CR电路参考图

①向线圈施加额定电压以上的电压。
②通过C(电容器)上流动的电流使继电器进入ON状态后,
 通过R(电阻)抑制电流。

※C(电容器)设定为可流动40ms以上额定电流的容量,R(电阻)设定为可流动50%以上电流的电阻。

请施加100%以上的线圈额定电压并确保在40ms~3s范围内。

优点

  • 结构简单,所以易于电路设计
  • 因为电压以R(电阻)与继电器线圈的电阻比率进行分压,所以无需开关方式的顺序控制

缺点

  • 因为带有电阻,所以节电效果会降低
  • 因为会在100ms期间向继电器线圈施加额定电压,所以需要向电路施加高于100%线圈额定电压的电压
  • 电容器容量会变大

电路电压会根据电容器的充电状态被分压。因为需要在100ms期间持续向继电器线圈施加100%的线圈额定电压,所以必须选择完成充电时间比100ms更长的电容器容量

03-02 何谓开关方式?①

还可使用开关替代电容器来保持电荷。
开关方式共有2种。

第1种开关方式采用由开关和电阻构成的简单电路结构。开关与电阻并联后构成电路。在使开关为ON的状态下向电路施加电压来向继电器线圈施加额定电压。达到100ms后使开关为OFF状态,电压即会通过R(电阻)和继电器线圈的电阻被分压,由此向继电器线圈施加保持电压。

开关方式的保持电压电路参考图

①将开关设定为ON后,向线圈施加额定电压。
②打开开关后,通过R(电阻)抑制电流。

※开关为“OFF”时,设定R(电阻)以确保流过的电流在额定电流的50%以上。

请施加100%以上的线圈额定电压并确保在100ms至3s范围内。

优点

  • 结构比CR方式更加简单,所以易于电路设计

缺点

  • 因为带有电阻,所以节电效果会减半

03-03 何谓开关方式?②

第2种开关方式因为需要2个外加电压(电源),所以开关也需要采用2个电路结构。在100ms以上的时间内,必须向继电器线圈施加100%以上的额定电压,所以在接通电源时,需将线圈驱动开关和电压切换开关同时切换为ON。
继电器线圈上将被施加电压较高的电源电压(外加电压A)。达到100ms后将电压切换开关切换为OFF,即会进入只有线圈额定电压50%的电源与电路连接的状态,由此向继电器线圈施加保持电压(50%)。

开关方式的保持电压电路参考图

①将电压切换开关切换为ON,再将线圈驱动开关切换为ON。
②继电器进入ON状态后,将电压切换开关切换为OFF。

请施加100%以上的线圈额定电压并确保在100ms至3S范围内。

优点

  • 因为没有电阻,所以可最大限度地发挥节电效果

缺点

  • 需要2个电源导致设备的尺寸和成本提高
  • 电源一侧的设计变得复杂

03-04 何谓PWM方式?

PWM(Pulse Width Modulation)控制是指使用半导体反复切换ON和OFF的状态来控制功率的方法。通过高速的ON/OFF开关,以更少的功率维持一定的电压。

电压OFF的时间越长、越可抑制功率消耗。通过1秒内执行更多电压信号的ON/OFF,即可在增加OFF时间的同时,施加一定的平均电压。这种ON/OFF之比称为占空比(duty比)。

在普通PWM控制电路上,会因齐纳二极管而产生功率损耗,从而难以大幅度削减占空比,所以不推荐使用PWM控制电路。请与齐纳二极管并列贴装开关装置,在执行PWM控制时切换为旁路。先将开关切换为OFF后、再将外加电压切换为OFF,然后继电器即会通过齐纳二极管+二极管正常断开。

普通PWM电路+齐纳二极管

※由于内置了齐纳二极管,所以可能不会执行PWM电路的预期动作。

推荐PWM电路

以下以G9KA型功率继电器的各占空比的线圈电流为例。为了使普通PWM电路+齐纳二极管占空比保持ON状态、维持所需线圈电流,需要86%以上的占空比。因此,消耗功率会比推荐PWM电路的保持状态时上升,从而导致继电器的发热变大。而且,节电效果也会降低。
另一方面,在推荐PWM电路上,可通过45%以上的占空比达到保持所需线圈电流的标准。

G9KA范例

普通PWM电路+齐纳二极管

※由于内置了齐纳二极管,所以可能不会执行PWM电路的预期动作。

推荐PWM电路

欧姆龙解疑 04.请告知电弧阻断机制

关闭开关设备时,在电流流动方向发生改变的交流电路上,电弧会在电流归零的瞬间而消弧。即使不采用任何技术,也较容易阻断。
但是,在直流电路上,电流的流动方向为固定状态,电弧会持续产生,所以必须强制性地阻断电弧。因此,在直流电路专用的大容量继电器上,电压或电流越大,阻断电弧的难度也就越高。

交流电弧

从接点分离至下一次电流归零(过零点)持续产生电弧

直流电弧

直流的电弧阻断方法大致可分为3种。

1 增大接点间隔、
       拉伸和阻断电弧的方法

2 通过磁铁拉伸和阻断电弧的方法


3 通过封入的气体冷却、
       阻断电弧的方法

电压/电流越大,电弧(放电)能量越大、越难阻断。
因此,将会根据电压/电流的大小组合电弧阻断方法进行应对。

04-01 利用接点间隔阻断电弧的方法

①通过接点间隔进行阻断

阻断电弧最简单的方法是通过接点间隔(触头间隙)进行阻断的方法。这种方法一般会导致继电器尺寸变大,所以会与其他阻断技术组合使用,但根据不同的负载条件,会产生只通过触头间隙阻断电弧的区域。

04-02 通过磁铁拉伸和阻断电弧的方法

欧姆龙的PCB功率继电器上主要使用的是通过磁铁拉伸电弧的阻断方法。应用弗莱明左手法则作为拉伸电弧的手段。通过磁铁的位置或种类调节拉伸电弧的距离或角度,在有限的空间内最大限度地获得电弧距离。

弗莱明左手法则

电弧阻断原理

接点之间所生电弧被拉向力的方向会导致电弧折弯,由此可获得阻断所需的距离。

可使电弧延伸的长度依赖于洛伦兹力,而洛伦兹力取决于电流值和磁场,所以电流较小时,则不易使电弧拉伸。
因此,如果电流较小,电弧则无法充分延伸至阻断所需的电弧长度,有时无法进行阻断。

电流较大时

产生拉伸和阻断电弧所需的足够力量。

电流较小时

无法充分拉伸、阻断电弧。

04-03 通过封入的气体冷却、阻断电弧的方法

在欧姆龙的DC功率继电器上,主要采用通过封入的气体冷却、阻断电弧的方法。在气体封装型继电器上,接点部位封装了得到加压且导热率较高的气体。
一般在阻断直流高电压时会在接点之间产生电弧,该电弧根据弗莱明左手法则,会通过磁场的力量被拉伸至接点两端。被封入空间内的气体会阻碍此电弧的流动,导热率较高的气体可有效地向外部释放电弧能量。结果,由于电弧延伸,电弧电压会急剧上升,通过气体的效果,电弧即可在密封式机架内被迅速阻断。

欧姆龙解疑 05.继电器的永久磁铁所生磁场会产生哪些影响?

在直流功率继电器上,阻断电弧时一般需要拉伸电弧,所以会内置永久磁铁。这种磁铁所生磁场可能会影响周围的电子元件、尤其是电流传感器(CT:Current transformer)的运转。
CT时,会因这种永久磁铁所生磁场而产生偏压,可能会妨碍正确的电流值测量。

在此,就欧姆龙直流功率继电器的磁场分布进行相关说明。请用户在电路板布局设计时用做参考。

模拟磁场分析结果表明,在距离继电器机架表面约20mm处,预测磁通密度约达数mT水平。

G9KB-1A

分析条件
线圈施加:100%施加
分析软件:J-MAG

G7L-2A-X

分析条件
线圈施加:100%施加
分析软件:J-MAG

G5PZ-1A-X

分析条件
线圈施加:100%施加
分析软件:J-MAG

G2RG-2A-X

分析条件
线圈施加:100%施加
分析软件:J-MAG

欧姆龙解疑 06.直流功率继电器也可在1A以下使用吗?

使用时的注意事项根据直流功率继电器的容量范围而异。
下面按机型进行详细说明。

06-01 直流PCB功率继电器G7L-X/G5PZ-X时

虽然G7L-X可阻断1,000VDC/1A的负载,但电流值一旦下降至0.5A,就难以通过洛仑磁力拉伸电弧,从而无法阻断负载。但是,如果电流值继续下降,即会产生通过接点间隔进行阻断的区域,由此可实现负载的阻断。
G5PZ-X、G7L-X上存在这种阻断不稳定的区域。
无法阻断电弧时,可能会因接点的异常发热而导致继电器和电路板、外围单元受到损伤。

下图表示阻断不稳定区域概念图。

这个区域可能会因周围环境而发生变化,故请务必通过实体机加以确认。

06-02 直流PCB功率继电器G2RG-X/G9KB时

G2RG-X及G9KB也与G7L-X和G5PZ-X一样,通过磁铁控制电弧。此些继电器对于最大阻断电压具有充分的接点间隔,所以不会产生无法阻断的区域。

欧姆龙解疑 07.可以2台继电器进行串联/并联吗?

原则上来说,欧姆龙不推荐将继电器进行电气性串联或并联后使用(G5PZ-X除外)。
但是,在此就在上述状态下使用时的注意事项进行说明。

07-01 关于将继电器进行串联时的分压

在DC负载下使用时,如果将继电器进行串联,电压则会被一分为二,与1台继电器时相比还可能阻断更大的电压。例如,将2个额定开闭电压为200VDC/20A的继电器进行串联时,有可能阻断400VDC/20A的电压。G5PZ-X时,建议采用这种使用方法。(详情请参阅独立数据表。)

G5PZ-X的连接范例

继电器分别可阻断DC200V、总计DC400V的电压

07-02 串联时的注意事项

如果串联的继电器复原时间出现不均、或一侧的继电器损坏(熔敷),电弧则会在瞬间集中于1台继电器,从而可能导致继电器故障、损坏。

理想状态下,继电器①和②会同时运转,①和②上会被施加系统的1/2电压

如果继电器①先于②运转,则会在所有电压均被施加于①上的状态下而产生电弧
V①>V②

07-03 关于将继电器进行并联时的分流

将继电器进行并联后,通电时的电流可能会更大。例如,通过将2台可通电200A的继电器进行并联,则可能实现400A的通电。

但是,欧姆龙不推荐并联后使用。

理想状态下,继电器①和②会同时运转,①和②上流动的电流相同。

07-04 并联时的注意事项

如果一侧的继电器发生故障而无法通电,另一侧的继电器上即会流动更多的电流,结果将会导致继电器故障。此外,各继电器的接触电阻并不完全相同,所以电流将会集中于接触电阻较低的继电器上,结果同样会导致继电器故障。
为了防止此些问题的发生,需使用比电路电流更大的额定电流继电器、或在各继电器的电流线上安装电流传感器或保险丝,由此防止过电流的产生。
此外,阻断电弧在阻断负载时一定会集中于其中一台继电器,从而增加故障的风险,所以在执行阻断时,需将其控制在无负载(0A)、或1台继电器的额定电流范围。

本对策范例并非欧姆龙对运转效果的保证,也并非推荐内容。

理想状态下,继电器①和②会同时运转,①和②上流动的电流相同。

但是,可能会因一侧继电器故障、或接触电阻差异,而导致电流集中于另一侧继电器的危险。

对策事例

1)选择电流容量具有余量的继电器

2)插入电流平衡专用电阻

面临电阻导致损坏(发热)的课题

欧姆龙解疑 08.继电器在大电流(短路电流)通电时会怎样?

下面就继电器上流过类似短路电流的大电流时的继电器动作进行说明。
根据电流的大小,大致会产生3种现象。

电流值
现象 电磁斥力较小,接点不会断开。(接点会溶解,所以需要执行时间设定。) 接点因电磁斥力而断开,但发生熔敷。 接点因电磁斥力而断开,持续拉伸电弧。(通过保险丝协调可继续使用。)
继电器的状态 如果是接触部未发生溶解熔敷的通电时间,则可继续使用。 接点因电磁斥力而断开,接点在产生了电弧的状态下再次接触后发生熔敷。
不可继续使用。
接点因电磁斥力而断开,但电磁斥力较大,接点难以再次接触。如果可通过保险丝协调,那么在再次接触前由保险丝阻断电流的接点会有所消耗,但可继续使用。
(但是,长时间持续拉伸电弧会导致爆炸而无法使用。)

<洛仑磁力所致电磁斥力>

对同向电流产生拉力, 对逆向电流产生斥力

电流在继电器上流动后,通过所生与电流大小成正比的洛仑磁力,斥力(电磁斥力Fs)会使接点间相互排斥。因接点是点接触,所以电流会如下图所示在接点面上流动。

<接点面上发生的电磁斥力>

因接点是点接触,所以接点间会流动逆向电流,产生电磁斥力。

08-01 电磁斥力(Fa)<接触压力(Fb)时

继电器接点会因弹簧的弹力而相互产生一种推力(接触压力Fb)。接触压力(Fb)足够大时,就不会受到电磁斥力(Fa)的影响且不会发生接点熔敷。可正常完成接点断开。

08-02 电磁斥力(Fa)≦接触压力(Fb)时

接点在电磁斥力(Fa)未超出接点推力(Fb)的区域不会断开。但是,接点之间的相互推力会因Fa的产生而变小。因此,接点接触部的接触电阻变大后,在该处产生的焦耳热会变大,由此可能导致接点溶融、熔敷。

08-03 电磁斥力(Fa)>接触压力(Fb)时

此外,电流继续增大后,电磁斥力(Fa)超出接触压力(Fb)时即会导致接点断开。在此过程中,接点间会产生电弧,接点及接点部周围会因该电弧热而发生溶融、烧毁(冒烟、起火),有时还可能因急速加热而导致爆炸。


如上所述,在大电流通电时,根据该电流的大小、时间,还可能会导致继电器损坏。
请在实际负载条件下进行评估后再探讨采用事宜。

欧姆龙解疑 09.大容量功率继电器的接触电阻实力如何?

越是大容量、大电流的应用,设备的发热问题也就越明显。发热会缩短设备寿命,所以需要采用风扇或散热片等冷却机构,但搭载冷却机构会导致设备的大型化和成本提高。导致设备发热的主要原因之一和课题在于设备内置电路板上搭载的继电器。

普通大容量继电器的接触电阻值为100mΩ,而欧姆龙还可提供最小0.2mΩ的较低接触电阻的大容量继电器产品阵容,有助于实现设备的低发热化。以下曲线图为接触电阻额定值与实际值的对比。请作为设计时的参考。

欧姆龙可保证的是额定值,而非实际值。

G9KA

额定值:0.2mΩ

G7EB

额定值:5mΩ

G9KB

额定值:5mΩ

G7L-X-SI

额定值:10mΩ

欧姆龙的PCB功率继电器

大容量功率继电器相关的技术性问题得到解决了吗?除此之外,用户应该还有很多其他方面的问题。
有关继电器的任何问题,请交给欧姆龙的技术人员。
如遇任何问题,请先进行咨询。

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