继电器在交流应用时的zero-crossing

在应用继电器进行隔离开关操作时，更多地出现在使用继电器对电压较高的交流电路进行开关，而且时常电流都比较大，达到几安培、十几安培甚至更大。在继电器的使用过程中，继电器的反复动作一般都会对继电器造成一定的影响，有时如果不注意使用的方法会加速继电器的老化甚至使得继电器在应用于现场的很短时间内即发生故障。

其实很多时候，并不是继电器本身的质量问题，而是设计人员在应用时可能忽略了一些针对继电器的必要的保护。笔者在设计过程中，其产品样品在实验室测试性能良好，到现场运行后，不出一天功夫即出现了继电器的故障。究其原因，实验室的环境模拟得再好，终究不像现场环境的复杂与多变，所以继电器在再强悍，也需要一定的保护。

此文是笔者在设计过程中的一点小经验，与大家分享，希望能对您有所帮助。

首先简单地了解一下继电器的结构：

继电器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。

主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点。

继电器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。

继电器的动作动力来源于交流电磁铁，电磁铁由两个“山”字形的幼硅钢片叠成，其中一个固定，在上面套上线圈，工作电压有多种供选择（AC/380V，220V，110V等DC/36V--3V等）。为了使磁力稳定，铁芯的吸合面，加上短路环。继电器在失电后，依靠弹簧复位。

另一半是活动铁芯，构造和固定铁芯一样，用以带动主接点和辅助接点（触头）。

这里只讨论交流继电器在应用中的零交问题及解决的办法。

由于普通的设计中，没有考虑继电器的动作发生时间，也就是说，一旦有需求继电器动作，则尽可能快地叫继电器动作。

但是，对于交流电的正弦波来说，显然当继电器在其零点动作与继电器在其峰谷点动作的性质是不一样的。继电器在正弦波的零点动作时，此时电压近似为零，通过的交流也最小，因此，在继电器的动作过程中，对继电器触点的伤害最小。所以，在此类应用中，越来越多的开发人员意识到继电器动作的时间点选取是很重要且非常有意义的。

当继电器在正弦波的峰谷点动作时，这时触点间的电压最高，并且如果电路的启动电流大（如三波长灯之类的感性负载），那么在继电器吸合的一瞬间，继电器的触点间出现火花或电弧等现象，轻者使继电器的触点被氧化，影响今后的吸合效果，更有严重的直接将继电器的触点熔化，使得继电器的触点吸合后就无法再弹开了。

笔者曾使用了100个5A/250V的一美国品牌继电器进行了一项测试，负载为600W三波长灯。在不对继电器的吸合时间做任何调整的前提下，使用自动开关程序对测试系统进行操作，每5秒执行一次开操作，5秒后执行关操作，循环。

在测试过程中发现，其600W的三波长灯，在打开的瞬间，电流居然能达到20A或更大。测试程序自动运行半小时后，80%的继电器会出现触点偶尔吸合后不弹开的现象，但是几个周期后能恢复正常。连续测试一小时后，60%的继电器会出现触点吸合不能再弹开的现象。对故障的继电器拆解后发现，继电器的触均出现不同程度的熔化，两触点紧密地粘合在一起了。由此实验可以看出，如果不对继电器作任何保护的前提下，继电器在这种环境下工作，其受到的冲击是十分明显的。

解决方法

首先，现在市场上已经有不少包含继电器保护电路的继电器了，这不在我们的讨论范围。

其次，市面上有成品的零交电路出售，这也不在我们的讨论范围。

前提：在动作延时可以被接受的前提下。因为对继电器的动作进行干预，则意味着继电器的动作会有一些延时（延时根据正弦波的频率不同而不同，继电器本身的动作也有延时）。

我们需要解决的问题就在于如何让继电器在正弦波的零点处吸合。

硬件：

首先，我们需要有电路检测正弦波的零点。可以参考使用光耦，将正弦波电压降到合适的范围后（可以使用电阻降压），通过光耦我们可以得到与正弦波成一定关系的方波（考虑使用门电路将方波整形，使其更规则）。得到的方波宽度当然就与电压调节的程度有关。

得到正弦波经调节后的方波后，可以通过捕获方波的上升沿（或是下降沿，或是边沿）来确定：1.正弦波的周期；2.什么时候是正弦波的零点。得到这两者后，我们可以通过正弦波的周期，就知道正弦波多长时间会出现一次零点；在捕获到正弦波的本次零点后，估算延时，使得继电器刚好在正弦波的下一次零点时动作。

这其包含几个延时：捕获正弦波零点的等待时间，单片机本身的指令执行时间，需要的软件延时，继电器本身的动作延时。其中，捕获正弦波零点的等待时间不定，但能保证在正弦波的半个周期完成；单片机本身的指令执行时间可以估算，不过一般也可以忽略，因为和其他延时比较起来实在微不足道；需要的软件延时，这是根据正弦波的周期，以及继电器本身的运行延时而计算出来的，由设计者故意设定的软件延时（这是为了保证继电器的接到到任命令并且经过它自己的延时后，触点吸合时刚好能在正弦波的零点）；继电器本身的动作延时可以从规格书中查到，选购继电器时向供应商索要，并且尽可能选购一致性好的继电器，使得其动作延时水平相当。软件流程：

当然，这其中，需要在实际应用时，编写程序检测正弦波的周期。特别是软件延时的设置，不但要求需要一定的精度（1ms级），而且其具体的值是需要在实际的实验和测试中测得的。

最后，附上一张图，是进行零交检测后，继电器动作的波形。

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