電纜分布電容對固態(tài)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(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引言

某插拔電控系統(tǒng)用于某車輛實(shí)現(xiàn)插拔控制功能，該電控系統(tǒng)由插拔測控單元、脫落控制單元、液壓系統(tǒng)、電纜網(wǎng)等組成，系統(tǒng)連接示意見圖1。在進(jìn)行插拔電控系統(tǒng)整車聯(lián)調(diào)時，當(dāng)按下插拔測控單元上“自檢”開關(guān)，油源建壓尚未完成，油源壓力開關(guān)未閉合，脫落控制單元“準(zhǔn)備好”信號異常發(fā)出，出現(xiàn)故障。本文結(jié)合實(shí)例對該故障進(jìn)行分析并提出了解決方法。

1 控制回路設(shè)計情況與故障現(xiàn)象

插拔電控系統(tǒng)“自檢”控制回路設(shè)計情況如圖2所示，其中“自檢”開關(guān)、“準(zhǔn)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(guān)集成于插拔液壓系統(tǒng)中。正常情況下，當(dāng)插拔測控單元“自檢”開關(guān)按下時，“準(zhǔn)備好”指示燈不亮，直到液壓系統(tǒng)油源建壓完成使油源壓力開關(guān)閉合后，“準(zhǔn)備好”指示燈才應(yīng)點(diǎn)亮。但系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時，當(dāng)“自檢”開關(guān)按下后，此時液壓系統(tǒng)油源未建壓，油源壓力開關(guān)未閉合，“準(zhǔn)備好”信號異常發(fā)出，指示燈異常點(diǎn)亮。

2 故障分析

在進(jìn)行單機(jī)調(diào)試時，未出現(xiàn)“準(zhǔn)備好”信號異常發(fā)出的問題，在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時才暴露出該問題，系統(tǒng)使用時，帶來的變化為使用了長線電纜傳輸數(shù)據(jù)，因此，重點(diǎn)分析了長線電纜等效電容效應(yīng)及固態(tài)繼電器的實(shí)際性能，經(jīng)過分析和實(shí)際試驗(yàn)測試，“準(zhǔn)備好”信號異常發(fā)出問題的故障定位為：“自檢”開關(guān)按下瞬間，系統(tǒng)中的電纜分布電容C1的存在，導(dǎo)致固態(tài)繼電器D27、D28誤動作，觸發(fā)自保持電路工作，發(fā)出“準(zhǔn)備好”信號，電路原理等效圖見圖2所示。

圖2 準(zhǔn)備好信號發(fā)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(shí)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(jìn)行粗略估算。

a：回路（工作對）兩導(dǎo)線中心間距離（mm）；

d：導(dǎo)線直徑（mm）；

λ：總的繳入率；

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

ψ：修正系數(shù)，指接地金屬屏蔽和鄰近導(dǎo)線產(chǎn)生影響而設(shè)置的系數(shù)，對于屏蔽對線組: Ψ≈0. 6；

分布電容的理論計算值與實(shí)際數(shù)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(jīng)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(shí)際值為8.82nF，后續(xù)計算按實(shí)測等效電容值進(jìn)行。

2.2 固態(tài)繼電器的工作機(jī)理

固態(tài)繼電器D26～D28使用的型號均為JGC-5043M，該固態(tài)繼電器電原理見圖3，當(dāng)輸入端加控制信號時，以V1、C1、C2和C3為核心的振蕩回路產(chǎn)生高頻信號，高頻信號通過變壓器T1耦合后經(jīng)過V2整流提供穩(wěn)定的驅(qū)動電壓，驅(qū)動功率MOSFET V4動作，使固態(tài)繼電器輸出端導(dǎo)通。

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

圖3 JGC-5043M固態(tài)繼電器電原理圖

2.3 故障產(chǎn)生的原因分析

“準(zhǔn)備好”信號異常發(fā)出問題，其故障原因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)中閉合自檢開關(guān)后，繼電器D26接通，將D26看成理想開關(guān)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(dǎo)通狀態(tài)，繼電器D27輸入端電壓（需去掉固態(tài)繼電器內(nèi)二極管壓降）約為11.3V，隨著等效電容C1內(nèi)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(dāng)電壓降到7.6V時，將不會導(dǎo)通，當(dāng)D27、D28誤導(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(jù)公式計算，D27、D28并聯(lián)后的平均阻抗為2.81k，則R=2.81k，C=8.82nF，Vu=11.3V，Vt=3.7V，經(jīng)過計算，當(dāng)?shù)刃щ娙輧啥穗妷撼潆娭?.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(dǎo)致D27接通閉合，產(chǎn)生了誤動作。

對繼電器輸入輸出特性進(jìn)行實(shí)測，實(shí)測波形見圖4，從實(shí)測波形圖中可以看出，在 “自檢”開關(guān)按下的1.5μs內(nèi)，由于系統(tǒng)中的等效電容C1的存在，繼電器D27接通閉合誤動作，觸發(fā)自保持電路工作，誤發(fā)出“準(zhǔn)備好”信號。

圖4 繼電器輸入輸出特性測試圖

3 改進(jìn)措施

為解決電纜分布電容對固態(tài)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(yīng)對固態(tài)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(yīng)的影響。

在實(shí)際應(yīng)用中，采用了第一種方案，在繼電器D27輸入端并聯(lián)了一只0.68μF的電容，并聯(lián)電容后，在自檢開關(guān)按下后，D27輸入端電壓波形見圖5下部曲線，固態(tài)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(jìn)行了100次試驗(yàn)，故障均未復(fù)現(xiàn)，可靠解決了電纜分布電容對固態(tài)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(xiàn)場在油源壓力開關(guān)兩端并聯(lián)100nF電容，進(jìn)行了多次試驗(yàn)，工作正常，故障均不復(fù)現(xiàn)。

由以上試驗(yàn)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(fù)現(xiàn)。電容容值確定后的變化主要受環(huán)境溫度的影響，參考電容指標(biāo)及試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)測等效電容為8.82nF，其變化范圍遠(yuǎn)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(fù)現(xiàn)，遠(yuǎn)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(tài)繼電器自保持電路的影響。

圖5 繼電器D27輸入端并聯(lián)電容后輸入輸出特性測試圖

4 結(jié)語

電纜分布電容在單機(jī)設(shè)計時經(jīng)常被忽略，在系統(tǒng)應(yīng)用時才暴露出缺陷。因此單機(jī)設(shè)計時應(yīng)綜合考慮電纜傳輸?shù)挠绊?，尤其是像自保持容易被觸發(fā)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(jī)設(shè)計時應(yīng)慎用固態(tài)繼電器作為自保持電路的邏輯器件，以免帶來系統(tǒng)使用時故障，但確需使用時，應(yīng)采取措施消除外來影響。