電纜分布電容對固態繼電器自保持電路的影響

袁皓，劉培文，郝欣偉，王世謙，吳林瑞

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引言

某插拔電控系統用于某車輛實現插拔控制功能，該電控系統由插拔測控單元、脫落控制單元、液壓系統、電纜網等組成，系統連接示意見圖1。在進行插拔電控系統整車聯調時，當按下插拔測控單元上“自檢”開關，油源建壓尚未完成，油源壓力開關未閉合，脫落控制單元“準備好”信號異常發出，出現故障。本文結合實例對該故障進行分析并提出了解決方法。

1 控制回路設計情況與故障現象

插拔電控系統“自檢”控制回路設計情況如圖2所示，其中“自檢”開關、“準備好”指示燈布置于插拔測控單元上，控制繼電器D26、D27、D28布置于脫落控制單元中，“油源壓力”開關集成于插拔液壓系統中。正常情況下，當插拔測控單元“自檢”開關按下時，“準備好”指示燈不亮，直到液壓系統油源建壓完成使油源壓力開關閉合后，“準備好”指示燈才應點亮。但系統聯調時，當“自檢”開關按下后，此時液壓系統油源未建壓，油源壓力開關未閉合，“準備好”信號異常發出，指示燈異常點亮。

2 故障分析

在進行單機調試時，未出現“準備好”信號異常發出的問題，在系統聯調時才暴露出該問題，系統使用時，帶來的變化為使用了長線電纜傳輸數據，因此，重點分析了長線電纜等效電容效應及固態繼電器的實際性能，經過分析和實際試驗測試，“準備好”信號異常發出問題的故障定位為：“自檢”開關按下瞬間，系統中的電纜分布電容C1的存在，導致固態繼電器D27、D28誤動作，觸發自保持電路工作，發出“準備好”信號，電路原理等效圖見圖2所示。

圖2 準備好信號發出等效圖

2.1 電纜分布電容計算

從圖1可以看出，“油源壓力”信號主要由插拔油源通過01-130、01-60電纜傳輸至脫落控制單元，兩根電纜長度為11m，實際使用的電纜型號為KFHRP 13×0.5mm2。

由于電纜存在分布電容，按照《電線電纜手冊》中的電纜分布電容公式進行粗略估算。

a：回路（工作對）兩導線中心間距離（mm）；

d：導線直徑（mm）；

λ：總的繳入率；

Dε：組合絕緣介質的等效相對介電常數；電纜KFHRP為氟乙丙烯，其相對介電常數查表為3；

ψ：修正系數，指接地金屬屏蔽和鄰近導線產生影響而設置的系數，對于屏蔽對線組: Ψ≈0. 6；

分布電容的理論計算值與實際數值可能會有較大的差別，所以計算值僅作參考，取a≈3mm，d≈1.6mm，λ≈1，Dε≈3，ψ≈0.6。經計算電纜的分布電容為1.028× 10-10F/km，電纜長度11m，則等效電容理論計算值為1用萬用表測量等效電容實際值為8.82nF，后續計算按實測等效電容值進行。

2.2 固態繼電器的工作機理

固態繼電器D26～D28使用的型號均為JGC-5043M，該固態繼電器電原理見圖3，當輸入端加控制信號時，以V1、C1、C2和C3為核心的振蕩回路產生高頻信號，高頻信號通過變壓器T1耦合后經過V2整流提供穩定的驅動電壓，驅動功率MOSFET V4動作，使固態繼電器輸出端導通。

樣本資料上固態繼電器JGC-5043M的接通電壓最大為10V，接通時間100us，輸入關斷電壓最小為2.5V，關斷時間1ms。但經過實際測試發現，其輸入接通電壓7.62V，接通時間1.5us，輸入關斷電壓7.51V，關斷時間0.48ms，與樣本差距較大，因接通時間較短，使得該固態繼電器比較敏感，容易受到外界的影響。

圖3 JGC-5043M固態繼電器電原理圖

2.3 故障產生的原因分析

“準備好”信號異常發出問題，其故障原因為在本系統中閉合自檢開關后，繼電器D26接通，將D26看成理想開關器件，由于電纜等效電容兩端初始電壓為零，充電瞬間等效于導通狀態，繼電器D27輸入端電壓（需去掉固態繼電器內二極管壓降）約為11.3V，隨著等效電容C1內部電荷的積累，兩端電壓將會增加，繼電器D27輸入端電壓將會下降，當電壓降到7.6V時，將不會導通，當D27、D28誤導通時，說明等效電容C1從0V增加到3.7V的充電時間t大于繼電器接通時間1.5μs。對其進行理論計算，因初始電壓為0，則可按以下公式對充電時間進行計算。

Vt：任意時刻t，電容上的電壓值；

Vu：電容充滿終止電壓，即充電極限。

依據公式計算，D27、D28并聯后的平均阻抗為2.81k，則R=2.81k，C=8.82nF，Vu=11.3V，Vt=3.7V，經過計算，當等效電容兩端電壓充電至3.7V時，其充電時間為9.84μs，大于繼電器D27接通時間1.5μs，因此導致D27接通閉合，產生了誤動作。

對繼電器輸入輸出特性進行實測，實測波形見圖4，從實測波形圖中可以看出，在 “自檢”開關按下的1.5μs內，由于系統中的等效電容C1的存在，繼電器D27接通閉合誤動作，觸發自保持電路工作，誤發出“準備好”信號。

圖4 繼電器輸入輸出特性測試圖

3 改進措施

為解決電纜分布電容對固態繼電器自保持電路的影響，有兩種措施，一種為降低繼電器D27輸入端上電瞬間電壓，可消除電纜分布電容充電效應對固態繼電器電路的影響；另一種為更換繼電器D27、D28，換成接通時間較長的繼電器，以避開電纜分布電容充電效應的影響。

在實際應用中，采用了第一種方案，在繼電器D27輸入端并聯了一只0.68μF的電容，并聯電容后，在自檢開關按下后，D27輸入端電壓波形見圖5下部曲線，固態繼電器D27輸入端大于7.6V接通電壓時間約為200ns，小于繼電器D27接通時間1.5μs，使得故障消失。按此此種方法，進行了100次試驗，故障均未復現，可靠解決了電纜分布電容對固態繼電器自保持電路的影響。

考慮到等效電容容值變化的影響，現場在油源壓力開關兩端并聯100nF電容，進行了多次試驗，工作正常，故障均不復現。

由以上試驗可知，在繼電器D27輸入端增加0.68μF電容后，可以保證長線分布等效電容為100nF以下時故障不復現。電容容值確定后的變化主要受環境溫度的影響，參考電容指標及試驗驗證，實測等效電容為8.82nF，其變化范圍遠低于100nF。

因此，在D27輸入端增加0.68μF電容后，外接100nF電容時故障不復現，遠大于長線電纜等效電容可能增大的電容值，可靠解決了電纜分布電容對固態繼電器自保持電路的影響。

圖5 繼電器D27輸入端并聯電容后輸入輸出特性測試圖

4 結語

電纜分布電容在單機設計時經常被忽略，在系統應用時才暴露出缺陷。因此單機設計時應綜合考慮電纜傳輸的影響，尤其是像自保持容易被觸發且不可逆的電路特別容易受到電纜分布電容的影響，在單機設計時應慎用固態繼電器作為自保持電路的邏輯器件，以免帶來系統使用時故障，但確需使用時，應采取措施消除外來影響。