继电器箱的电磁兼容性设计
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摘 要：本文论述了继电器箱中的电磁兼容性问题，分析了干扰源及干扰的耦合路径，并介绍了继电器箱电磁兼容性设计的各种措施及其原理。
关键词：继电器箱;电磁兼容性;抑制
一、前言
随着电子技术的广泛应用，电子产品的电子对抗与反对 抗、电子干扰与反干扰的重要性越来越受到各行业的重点关 注，电子设备的电磁兼容性问题越来越突出。继电器箱作为航 空、航天、电子系统中常用的一类用于线路负载切换和信号传 输的电子设备，主要由继电器组成，也面临电磁兼容性问题， 在设计任务书中通常会提出产品应满足 GJB151B-2013《军用 设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》中的相关项目的 要求，因而在设计时就应采取措施，确保产品能在各种复杂的 电磁环境中能够正常工作并达到指标要求。
二、电磁兼容技术
电磁兼容技术是在电子设备的设计中采取预防措施，使其 在实际的使用环境中能够可靠的工作并且不对其他设备造成 不可接受的干扰所需要的技术。
电磁干扰是由无用信号或电磁骚扰对有用电磁信号的接 收或传输所造成的损害。电磁干扰的程度可以表示为如下关系 式：
其中：G为噪声源强度;I为受干扰电路的敏感程度;C为 噪声通过某种途径传导受干扰处的耦合因素。
由上式构成了电磁干扰的三个要素：干扰源、耦合路径和 敏感源。因此，电磁兼容性设计围绕这三个要素进行，通过研 究每个要素的特点，找出消除的方法，达到电磁兼容的目的。
电流电压瞬变的地方（即 di/dt 或 du/dt）即为干扰源，如 继电器开合、电容的充放电、电机运转、集成电路开关工作等 均能成为干扰源。继电器箱中的主要元器件是电磁继电器，电 磁继电器触点在断开较大电流回路时，将伴随电弧放电现象， 由此引入宽频带（高达 1GHz）的电磁噪声，该噪声以辐射及 传导的方式传播;接触时由于触点的弹跳也能形成脉冲列式的 干扰。电磁继电器线圈在加电或者断电瞬间将产生较大的 di/dt，形成尖峰电压，对外部线路形成电磁干扰。因此继电器 是一个很强的电磁干扰源，各行业通常将系统中的电磁继电器 集中起来做成继电器箱的原因之一就是便于集中进行电磁兼 容控制。
三、继电器箱的电磁兼容性设计
电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰，就继电器箱而言，传 导干扰的抑制一般从电路上进行设计，辐射干扰一般从结构上 进行设计。
（一）电路的电磁兼容性设计
抗干扰设计时最优先和最重要的原则是抑制干扰源，尽可 能的减小 di/dt 或 du/dt。
3.1.1 继电器触点瞬变干扰的抑制
继电器触点断开时发生的电弧放电和接触时触點弹跳所 形成的脉冲会通过触点引线、杂散电磁耦合、杂散磁场耦合等 多种效应传导到系统电源、负载回路及其他元器件或电路中， 形成电磁传导干扰。
为防止继电器触点产生的放电，可在触点两端增加并联保 护网络，一般最常见的是 RC 保护网络，该网络可延长接点的 耐久性，能够防止噪声干扰及减小电弧引起的接点烧毁。
图 2 为继电器开关触点干扰抑制的典型电路，将 RC 串联 起来并联在触点两端。当触点断开时，感性负载中存储的能量 通过 RC 网络进行放电，避免了通过触点间的放电。需要注意 的是，并联 RC 网络并不能减小感性负载在触点断开时所产生 的瞬时高压，必须考虑电容 C 的耐压值，一般情况下其值应不 小于瞬时高压的 1.5 倍较为安全。由于触点闭合时，RC 网络 与继电器触点形成回路，此时电容器在断开时积攒的能量通过 电阻进行放电，电阻的瞬时功耗也不能忽视，尽量选取具有一 定耐电流冲击能力的电阻。
图 3 为改进型的抑制电路，即在 RC 网络中的 R 上并联一 个二极管 V。当继电器触点断开时，感性负载中积蓄的能量从 R、C、V 组成的电路释放，此时由于二极管正向导通，能量 很快便放完;而当开关闭合时，充满电的电容 C 上的能量通过 电阻和继电器触点放电，此时由于二极管截止，释放电流仅从 电阻流过，只需 R 足够大，便不会烧坏继电器触点。
另外，还可以采用在继电器触点两端并联稳压二极管的形 式，如图 4。当继电器触点断开时，由于稳压二极管的特性， 使得触点两端的电压不会大于电压的 2 倍，从而抑制了瞬变电 压和火花。这种电路只需一个元器件即可实现，电路简单，且 效果不错。
感性负载较阻性负载更容易产生火花放电和弧光放电，选 取适当的抑制电路可达到纯阻性负载相同的效果。
3.1.2 继电器线圈瞬变干扰的抑制
继电器线圈作为感性负载，在断电瞬间会产生高达几百伏 的瞬变电压，容易损坏外围相关器件;另外由于其含有丰富的 谐波，若线圈外围无抑制回路，线圈中积攒的能量通过线路间 的分布电容、绝缘电阻影响控制系统，导致控制系统误动作。 由于断开时产生的瞬变电压能量大、频谱宽，不能仅仅采用滤 波或隔离措施，需要采取措施抑制瞬变干扰。
抑制瞬变干扰的常用电路如图 5，使用中不能将电压加反 以免烧坏二极管，二极管的正向电流指标一般取继电器线圈激 励电流的 2 倍以上。该电路能量损耗小，瞬变电压低，但延长 了的放电时间，容易导致线圈延时释放，降低动态响应性能。
为改善图 5 的缺陷，可以采用图 6 的电路，增加串联电阻， 电阻阻值一般取继电器线圈电阻的 0.1～0.5 倍， 加快能量释放， 还可避免二极管短路所造成的电路功能丧失。
另外还可以采用图 7 的方式，并联双向稳压管可不必考虑 电源极性且延迟时间短，稳压二极管耐压指标一般应不低于电 源电压的 1.5 倍。
其他诸如双绕组线圈、在线圈两端仅并联电阻、在线圈两 端并联电阻-电容串联电路等形式一般不推荐使用，原因包括： 并联绕组线圈起延时作用，使触点释放时间的延长太长，触点 断开时的回跳时间长，对触点寿命影响过大，工艺复杂，空间 大;仅并联电阻使触点释放时间延长，引起触点电弧，对触点 寿命影响大;电阻-电容串联使触点释放时间延长，所需电容 器的体积较大，占用空间。 （二）结构的电磁兼容性设计
辐射干扰为通过空间传播的干扰，对于继电器箱所产生的 辐射干扰的抑制在结构上一般采用屏蔽的处理方式。屏蔽是用 导电性好的材料将干扰源封闭起来，使得干扰无法外泄;也可 以把敏感设备封闭起来使得干扰无法进入。电磁波在穿过屏蔽 箱体时产生的损耗分为两部分，一部分是电磁波在屏蔽材料上 反射导致的反射损耗，另一部分是电磁波在屏蔽材料内传播时 发生的吸收损耗。
在继电器箱设计时，对于直接固定在壳体上的继电器的安 装，一般将壳体底面铣成一个个用于安装继电器的凹槽，如图8 所示。如此安装继电器后，继电器产生的辐射干扰经多次反 射、多次吸收可以将外泄的辐射干扰降到最低。
屏蔽箱体的屏蔽效能在很大程度上依赖于箱体结构上的 导电连续性。箱体上的接缝、开口等都是电磁波的泄漏源。箱 体上开口的电磁泄露与开口的尺寸、辐射源的特性及辐射源到 开口的距离等因素有关。通过适当的开口尺寸和辐射源到开口 的距离能够满足屏蔽的要求，必要时可以用截止波导来实现既 有开口又能阻挡电磁波。
对于缝隙的电磁屏蔽一般采用填充导电密封垫的方法，如 图 9 所示。
常用的填充材料有：导电布、指形簧片、金属丝网、导电 橡胶等。选用导电密封垫主要考虑：
（1）导电性：密封垫的导电性能越好、电磁屏蔽效果越 好;
（2）回弹力：根据衬垫的回弹力和面板的刚度合理的设 计紧固螺钉的间距;
（3）最小密封压力：衬垫需有足够的形变量（30%～40%） 才能达到预期的屏蔽效果;
（4）压缩永久形变：压缩永久形变量大的材料容易失去 弹性，影响密封效果;
（5）衬垫的厚度：应保证在最大缝隙处衬垫表面能受到 最小的密封压力;
（6）电化学相容性：衬垫材料与屏蔽基体材料在电化学 上应相容，避免发生接触腐蚀降低屏蔽效能。
结束语
在继电器箱的设计和应用中，感性负载的存在是不可避免 的，继电器线圈和触点所产生的电磁干扰也会影响到相关设备 和系统的正常工作，通过综合分析电磁兼容效应，运用合适的 抑制措施对电磁干扰进行抑制，在考虑性能满足要求的同时考 虑实际的成本，对性价比进行评估，才能达到理想的效果。
参考文献：
[1]GJB 1046-90 艦船搭接、接地、屏蔽、滤波及电缆 的电磁兼容性要求和方法.北京：国防科学技术工业委员会， 1991.
[2]蒙切斯著;刘元安译.电磁兼容和印制电路板 理论、 设计和布线[M].北京：人民邮电出版社，2002.
[3]蒋万良，杨志奇等.EMC 技术期刊[J].深圳市赛盛技术 有限公司.2012 年第 7 期.
作者简介：
高晓轩（1984—） ，男，汉族，籍贯：广西梧州市，本科， 工程师，主要从事小型电子设备设计工作。
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