电缆分布电容对固态继电器自保持电路的影响

袁皓，刘培文，郝欣伟，王世谦，吴林瑞

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

0 引言

某插拔电控系统用于某车辆实现插拔控制功能，该电控系统由插拔测控单元、脱落控制单元、液压系统、电缆网等组成，系统连接示意见图1。在进行插拔电控系统整车联调时，当按下插拔测控单元上“自检”开关，油源建压尚未完成，油源压力开关未闭合，脱落控制单元“准备好”信号异常发出，出现故障。本文结合实例对该故障进行分析并提出了解决方法。

1 控制回路设计情况与故障现象

插拔电控系统“自检”控制回路设计情况如图2所示，其中“自检”开关、“准备好”指示灯布置于插拔测控单元上，控制继电器D26、D27、D28布置于脱落控制单元中，“油源压力”开关集成于插拔液压系统中。正常情况下，当插拔测控单元“自检”开关按下时，“准备好”指示灯不亮，直到液压系统油源建压完成使油源压力开关闭合后，“准备好”指示灯才应点亮。但系统联调时，当“自检”开关按下后，此时液压系统油源未建压，油源压力开关未闭合，“准备好”信号异常发出，指示灯异常点亮。

2 故障分析

在进行单机调试时，未出现“准备好”信号异常发出的问题，在系统联调时才暴露出该问题，系统使用时，带来的变化为使用了长线电缆传输数据，因此，重点分析了长线电缆等效电容效应及固态继电器的实际性能，经过分析和实际试验测试，“准备好”信号异常发出问题的故障定位为：“自检”开关按下瞬间，系统中的电缆分布电容C1的存在，导致固态继电器D27、D28误动作，触发自保持电路工作，发出“准备好”信号，电路原理等效图见图2所示。

图2 准备好信号发出等效图

2.1 电缆分布电容计算

从图1可以看出，“油源压力”信号主要由插拔油源通过01-130、01-60电缆传输至脱落控制单元，两根电缆长度为11m，实际使用的电缆型号为KFHRP 13×0.5mm²。

由于电缆存在分布电容，按照《电线电缆手册》中的电缆分布电容公式进行粗略估算。

a：回路（工作对）两导线中心间距离（mm）；

d：导线直径（mm）；

λ：总的缴入率；

Dε：组合绝缘介质的等效相对介电常数；电缆KFHRP为氟乙丙烯，其相对介电常数查表为3；

ψ：修正系数，指接地金属屏蔽和邻近导线产生影响而设置的系数，对于屏蔽对线组: Ψ≈0. 6；

分布电容的理论计算值与实际数值可能会有较大的差别，所以计算值仅作参考，取a≈3mm，d≈1.6mm，λ≈1，Dε≈3，ψ≈0.6。经计算电缆的分布电容为1.028× 10-10F/km，电缆长度11m，则等效电容理论计算值为1用万用表测量等效电容实际值为8.82nF，后续计算按实测等效电容值进行。

2.2 固态继电器的工作机理

固态继电器D26～D28使用的型号均为JGC-5043M，该固态继电器电原理见图3，当输入端加控制信号时，以V1、C1、C2和C3为核心的振荡回路产生高频信号，高频信号通过变压器T1耦合后经过V2整流提供稳定的驱动电压，驱动功率MOSFET V4动作，使固态继电器输出端导通。

样本资料上固态继电器JGC-5043M的接通电压最大为10V，接通时间100us，输入关断电压最小为2.5V，关断时间1ms。但经过实际测试发现，其输入接通电压7.62V，接通时间1.5us，输入关断电压7.51V，关断时间0.48ms，与样本差距较大，因接通时间较短，使得该固态继电器比较敏感，容易受到外界的影响。

图3 JGC-5043M固态继电器电原理图

2.3 故障产生的原因分析

“准备好”信号异常发出问题，其故障原因为在本系统中闭合自检开关后，继电器D26接通，将D26看成理想开关器件，由于电缆等效电容两端初始电压为零，充电瞬间等效于导通状态，继电器D27输入端电压（需去掉固态继电器内二极管压降）约为11.3V，随着等效电容C1内部电荷的积累，两端电压将会增加，继电器D27输入端电压将会下降，当电压降到7.6V时，将不会导通，当D27、D28误导通时，说明等效电容C1从0V增加到3.7V的充电时间t大于继电器接通时间1.5μs。对其进行理论计算，因初始电压为0，则可按以下公式对充电时间进行计算。

Vt：任意时刻t，电容上的电压值；

Vu：电容充满终止电压，即充电极限。

依据公式计算，D27、D28并联后的平均阻抗为2.81k，则R=2.81k，C=8.82nF，Vu=11.3V，Vt=3.7V，经过计算，当等效电容两端电压充电至3.7V时，其充电时间为9.84μs，大于继电器D27接通时间1.5μs，因此导致D27接通闭合，产生了误动作。

对继电器输入输出特性进行实测，实测波形见图4，从实测波形图中可以看出，在 “自检”开关按下的1.5μs内，由于系统中的等效电容C1的存在，继电器D27接通闭合误动作，触发自保持电路工作，误发出“准备好”信号。

图4 继电器输入输出特性测试图

3 改进措施

为解决电缆分布电容对固态继电器自保持电路的影响，有两种措施，一种为降低继电器D27输入端上电瞬间电压，可消除电缆分布电容充电效应对固态继电器电路的影响；另一种为更换继电器D27、D28，换成接通时间较长的继电器，以避开电缆分布电容充电效应的影响。

在实际应用中，采用了第一种方案，在继电器D27输入端并联了一只0.68μF的电容，并联电容后，在自检开关按下后，D27输入端电压波形见图5下部曲线，固态继电器D27输入端大于7.6V接通电压时间约为200ns，小于继电器D27接通时间1.5μs，使得故障消失。按此此种方法，进行了100次试验，故障均未复现，可靠解决了电缆分布电容对固态继电器自保持电路的影响。

考虑到等效电容容值变化的影响，现场在油源压力开关两端并联100nF电容，进行了多次试验，工作正常，故障均不复现。

由以上试验可知，在继电器D27输入端增加0.68μF电容后，可以保证长线分布等效电容为100nF以下时故障不复现。电容容值确定后的变化主要受环境温度的影响，参考电容指标及试验验证，实测等效电容为8.82nF，其变化范围远低于100nF。

因此，在D27输入端增加0.68μF电容后，外接100nF电容时故障不复现，远大于长线电缆等效电容可能增大的电容值，可靠解决了电缆分布电容对固态继电器自保持电路的影响。

图5 继电器D27输入端并联电容后输入输出特性测试图

4 结语

电缆分布电容在单机设计时经常被忽略，在系统应用时才暴露出缺陷。因此单机设计时应综合考虑电缆传输的影响，尤其是像自保持容易被触发且不可逆的电路特别容易受到电缆分布电容的影响，在单机设计时应慎用固态继电器作为自保持电路的逻辑器件，以免带来系统使用时故障，但确需使用时，应采取措施消除外来影响。