繼電器箱的電磁兼容性設計

摘要：本文論述了繼電器箱中的電磁兼容性問題，分析了干擾源及干擾的耦合路徑，并介紹了繼電器箱電磁兼容性設計的各種措施及其原理。

關鍵詞：繼電器箱;電磁兼容性;抑制

一、前言

隨著電子技術的廣泛應用，電子產品的電子對抗與反對 抗、電子干擾與反干擾的重要性越來越受到各行業的重點關 注，電子設備的電磁兼容性問題越來越突出。繼電器箱作為航 空、航天、電子系統中常用的一類用于線路負載切換和信號傳 輸的電子設備，主要由繼電器組成，也面臨電磁兼容性問題， 在設計任務書中通常會提出產品應滿足 GJB151B-2013《軍用 設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》中的相關項目的 要求，因而在設計時就應采取措施，確保產品能在各種復雜的 電磁環境中能夠正常工作并達到指標要求。

二、電磁兼容技術

電磁兼容技術是在電子設備的設計中采取預防措施，使其 在實際的使用環境中能夠可靠的工作并且不對其他設備造成 不可接受的干擾所需要的技術。

電磁干擾是由無用信號或電磁騷擾對有用電磁信號的接 收或傳輸所造成的損害。電磁干擾的程度可以表示為如下關系 式：

其中：G為噪聲源強度;I為受干擾電路的敏感程度;C為 噪聲通過某種途徑傳導受干擾處的耦合因素。

由上式構成了電磁干擾的三個要素：干擾源、耦合路徑和 敏感源。因此，電磁兼容性設計圍繞這三個要素進行，通過研 究每個要素的特點，找出消除的方法，達到電磁兼容的目的。

電流電壓瞬變的地方（即 di/dt 或 du/dt）即為干擾源，如 繼電器開合、電容的充放電、電機運轉、集成電路開關工作等 均能成為干擾源。繼電器箱中的主要元器件是電磁繼電器，電 磁繼電器觸點在斷開較大電流回路時，將伴隨電弧放電現象， 由此引入寬頻帶（高達 1GHz）的電磁噪聲，該噪聲以輻射及 傳導的方式傳播;接觸時由于觸點的彈跳也能形成脈沖列式的 干擾。電磁繼電器線圈在加電或者斷電瞬間將產生較大的 di/dt，形成尖峰電壓，對外部線路形成電磁干擾。因此繼電器 是一個很強的電磁干擾源，各行業通常將系統中的電磁繼電器 集中起來做成繼電器箱的原因之一就是便于集中進行電磁兼 容控制。

三、繼電器箱的電磁兼容性設計

電磁干擾分為傳導干擾和輻射干擾，就繼電器箱而言，傳 導干擾的抑制一般從電路上進行設計，輻射干擾一般從結構上 進行設計。

（一）電路的電磁兼容性設計

抗干擾設計時最優先和最重要的原則是抑制干擾源，盡可 能的減小 di/dt 或 du/dt。

3.1.1 繼電器觸點瞬變干擾的抑制

繼電器觸點斷開時發生的電弧放電和接觸時觸點彈跳所 形成的脈沖會通過觸點引線、雜散電磁耦合、雜散磁場耦合等 多種效應傳導到系統電源、負載回路及其他元器件或電路中， 形成電磁傳導干擾。

為防止繼電器觸點產生的放電，可在觸點兩端增加并聯保 護網絡，一般最常見的是 RC 保護網絡，該網絡可延長接點的 耐久性，能夠防止噪聲干擾及減小電弧引起的接點燒毀。

圖 2 為繼電器開關觸點干擾抑制的典型電路，將 RC 串聯 起來并聯在觸點兩端。當觸點斷開時，感性負載中存儲的能量 通過 RC 網絡進行放電，避免了通過觸點間的放電。需要注意 的是，并聯 RC 網絡并不能減小感性負載在觸點斷開時所產生 的瞬時高壓，必須考慮電容 C 的耐壓值，一般情況下其值應不 小于瞬時高壓的 1.5 倍較為安全。由于觸點閉合時，RC 網絡 與繼電器觸點形成回路，此時電容器在斷開時積攢的能量通過 電阻進行放電，電阻的瞬時功耗也不能忽視，盡量選取具有一 定耐電流沖擊能力的電阻。

圖 3 為改進型的抑制電路，即在 RC 網絡中的 R 上并聯一 個二極管 V。當繼電器觸點斷開時，感性負載中積蓄的能量從 R、C、V 組成的電路釋放，此時由于二極管正向導通，能量 很快便放完;而當開關閉合時，充滿電的電容 C 上的能量通過 電阻和繼電器觸點放電，此時由于二極管截止，釋放電流僅從 電阻流過，只需 R 足夠大，便不會燒壞繼電器觸點。

另外，還可以采用在繼電器觸點兩端并聯穩壓二極管的形 式，如圖 4。當繼電器觸點斷開時，由于穩壓二極管的特性， 使得觸點兩端的電壓不會大于電壓的 2 倍，從而抑制了瞬變電 壓和火花。這種電路只需一個元器件即可實現，電路簡單，且 效果不錯。

感性負載較阻性負載更容易產生火花放電和弧光放電，選 取適當的抑制電路可達到純阻性負載相同的效果。

3.1.2 繼電器線圈瞬變干擾的抑制

繼電器線圈作為感性負載，在斷電瞬間會產生高達幾百伏 的瞬變電壓，容易損壞外圍相關器件;另外由于其含有豐富的 諧波，若線圈外圍無抑制回路，線圈中積攢的能量通過線路間 的分布電容、絕緣電阻影響控制系統，導致控制系統誤動作。 由于斷開時產生的瞬變電壓能量大、頻譜寬，不能僅僅采用濾 波或隔離措施，需要采取措施抑制瞬變干擾。

抑制瞬變干擾的常用電路如圖 5，使用中不能將電壓加反 以免燒壞二極管，二極管的正向電流指標一般取繼電器線圈激 勵電流的 2 倍以上。該電路能量損耗小，瞬變電壓低，但延長 了的放電時間，容易導致線圈延時釋放，降低動態響應性能。

為改善圖 5 的缺陷，可以采用圖 6 的電路，增加串聯電阻， 電阻阻值一般取繼電器線圈電阻的 0.1～0.5 倍， 加快能量釋放， 還可避免二極管短路所造成的電路功能喪失。

另外還可以采用圖 7 的方式，并聯雙向穩壓管可不必考慮 電源極性且延遲時間短，穩壓二極管耐壓指標一般應不低于電 源電壓的 1.5 倍。

其他諸如雙繞組線圈、在線圈兩端僅并聯電阻、在線圈兩 端并聯電阻-電容串聯電路等形式一般不推薦使用，原因包括： 并聯繞組線圈起延時作用，使觸點釋放時間的延長太長，觸點 斷開時的回跳時間長，對觸點壽命影響過大，工藝復雜，空間 大;僅并聯電阻使觸點釋放時間延長，引起觸點電弧，對觸點 壽命影響大;電阻-電容串聯使觸點釋放時間延長，所需電容 器的體積較大，占用空間。

（二）結構的電磁兼容性設計

輻射干擾為通過空間傳播的干擾，對于繼電器箱所產生的 輻射干擾的抑制在結構上一般采用屏蔽的處理方式。屏蔽是用 導電性好的材料將干擾源封閉起來，使得干擾無法外泄;也可 以把敏感設備封閉起來使得干擾無法進入。電磁波在穿過屏蔽 箱體時產生的損耗分為兩部分，一部分是電磁波在屏蔽材料上 反射導致的反射損耗，另一部分是電磁波在屏蔽材料內傳播時 發生的吸收損耗。

在繼電器箱設計時，對于直接固定在殼體上的繼電器的安 裝，一般將殼體底面銑成一個個用于安裝繼電器的凹槽，如圖8 所示。如此安裝繼電器后，繼電器產生的輻射干擾經多次反 射、多次吸收可以將外泄的輻射干擾降到最低。

屏蔽箱體的屏蔽效能在很大程度上依賴于箱體結構上的 導電連續性。箱體上的接縫、開口等都是電磁波的泄漏源。箱 體上開口的電磁泄露與開口的尺寸、輻射源的特性及輻射源到 開口的距離等因素有關。通過適當的開口尺寸和輻射源到開口 的距離能夠滿足屏蔽的要求，必要時可以用截止波導來實現既 有開口又能阻擋電磁波。

對于縫隙的電磁屏蔽一般采用填充導電密封墊的方法，如 圖 9 所示。

常用的填充材料有：導電布、指形簧片、金屬絲網、導電 橡膠等。選用導電密封墊主要考慮：

（1）導電性：密封墊的導電性能越好、電磁屏蔽效果越 好;

（2）回彈力：根據襯墊的回彈力和面板的剛度合理的設 計緊固螺釘的間距;

（3）最小密封壓力：襯墊需有足夠的形變量（30%～40%） 才能達到預期的屏蔽效果;

（4）壓縮永久形變：壓縮永久形變量大的材料容易失去 彈性，影響密封效果;

（5）襯墊的厚度：應保證在最大縫隙處襯墊表面能受到 最小的密封壓力;

（6）電化學相容性：襯墊材料與屏蔽基體材料在電化學 上應相容，避免發生接觸腐蝕降低屏蔽效能。

結束語

在繼電器箱的設計和應用中，感性負載的存在是不可避免 的，繼電器線圈和觸點所產生的電磁干擾也會影響到相關設備 和系統的正常工作，通過綜合分析電磁兼容效應，運用合適的 抑制措施對電磁干擾進行抑制，在考慮性能滿足要求的同時考 慮實際的成本，對性價比進行評估，才能達到理想的效果。

參考文獻：

[1]GJB 1046-90 艦船搭接、接地、屏蔽、濾波及電纜 的電磁兼容性要求和方法.北京：國防科學技術工業委員會， 1991.

[2]蒙切斯著;劉元安譯.電磁兼容和印制電路板 理論、 設計和布線[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[3]蔣萬良，楊志奇等.EMC 技術期刊[J].深圳市賽盛技術 有限公司.2012 年第 7 期.

作者簡介：

高曉軒（1984—） ，男，漢族，籍貫：廣西梧州市，本科， 工程師，主要從事小型電子設備設計工作。