如何連接並選擇繼電器續流二極體
1 分鐘
- 什麼是繼電器續流二極體？
- 如何將續流二極體並聯在繼電器線圈兩端
- 繼電器為何需要續流二極體：關閉時的電感反衝
- 如何為繼電器選擇續流二極體
- 續流二極體與齊納箝位：加快繼電器釋放
- 結論
- 繼電器續流二極體常見問題
重點摘要
- 二極體配置：將續流二極體並聯在線圈兩端，陰極連接正電位端，陽極連接負電位端。
- 為何重要：繼電器關閉時，二極體會為線圈中的剩餘電流提供安全的流通路徑，避免產生可能損壞電晶體的高壓尖峰。
- 選擇合適的二極體：選擇反向額定電壓高於線圈供電電壓，且順向電流額定值符合線圈電流需求的二極體。可依繼電器的需求選用 1N4148W、M7 及 SS14 等常見型號。
- 加快繼電器釋放：一般續流二極體雖然能保護電晶體，卻會延長繼電器的釋放時間。串聯加入齊納二極體，可在將電壓維持於電晶體安全範圍內的同時，加快繼電器釋放。
繼電器線圈的續流二極體可在線圈關閉時保護繼電器驅動電路。若沒有安裝二極體，線圈可能產生高壓尖峰，進而損壞電晶體。不過，二極體的極性至關重要：若方向接反，電晶體導通時便會在電源兩端形成近似短路的狀態。
本指南將介紹：
- 續流二極體應以哪個方向並聯在線圈兩端
- 線圈關閉時，有無二極體對線圈電壓的影響
- 如何選擇二極體的反向電壓及電流額定值
- 何時應使用齊納二極體搭配一般二極體，以加快繼電器釋放
圖：低側 NPN 開關及高側 PNP 開關中的繼電器線圈續流二極體配置
什麼是繼電器續流二極體？
繼電器續流二極體是並聯在線圈兩端的二極體，當驅動開關關閉後，它會承接線圈電流。線圈通電期間，二極體處於反向偏壓狀態，不會有明顯電流流過。它也稱為續流二極體、抑制二極體, or a 箝位二極體。
在原理圖中，二極體會並聯在線圈的繼電器線圈符號兩端，而二極體符號的陰極線應朝向正電源端。大多數繼電器線圈本身沒有極性，但安裝二極體後，線圈便具有固定的連接極性。
如何將續流二極體並聯在繼電器線圈兩端
將陰極連接至繼電器通電時呈正電位的線圈端子，陽極則連接至另一個線圈端子。如此一來，繼電器啟動時二極體會保持反向偏壓，並在線圈關閉時導通。
使用低側 NPN 開關時，請依照以下步驟操作：
- 確認線圈兩端：找出連接至 +V 的線圈端子，以及連接至集極的端子，接線方式可參考這份繼電器接線圖指南。
- 將陰極連接至 +V：陰極是帶有色環的一端，詳情可參考SMD 二極體極性指南。
- 將陽極連接至集極：陽極、線圈端子及 NPN 電晶體的集極連接至同一個節點。
- 將二極體放在線圈旁：縮短連接至線圈接腳的走線，可縮小關閉時的電流迴路，並降低輻射雜訊。
高側切換：若在 +V 與線圈之間使用 PNP 電晶體，陰極應連接至線圈靠近電晶體的一端，陽極則連接至接地端。
注意事項
續流二極體若接反，電晶體每次導通時都會使二極體處於順向偏壓狀態。大量電流會流經電晶體，導致繼電器無法正常啟動，並可能使二極體或電晶體過熱。
繼電器為何需要續流二極體：關閉時的電感反衝
繼電器線圈是一種電感元件，因此電晶體關閉時，線圈電流無法立即停止。線圈電壓會反向，以維持電流繼續流動（V = L·di/dt）；若沒有提供電流通路，這個電壓便會出現在電晶體兩端。
尖峰電壓取決於線圈電感、切換速度及寄生電容，因此不同電路的數值也會不同。它可能超過電晶體的 VCEO 額定值，使電晶體進入崩潰狀態。
圖：繼電器續流二極體在關閉時的電流路徑：線圈電流會在線圈與二極體之間循環，並逐漸衰減。
安裝二極體後，線圈關閉時的電流會在線圈與二極體之間循環。集極電壓會維持在接近電源電壓加上一個二極體壓降的水準，而儲存的能量則由線圈電阻及二極體消耗。
圖：未安裝續流二極體時，繼電器關閉瞬間的集極電壓
| 條件 | 關閉瞬間的集極電壓 | 線圈能量的消耗位置 | 對驅動電路的風險 |
|---|---|---|---|
| 未安裝續流二極體 | 由線圈及電路條件決定的電壓尖峰 | 電晶體進入崩潰狀態，並由寄生電容承受能量 | 電晶體承受過大應力或故障，並產生 EMI 電磁干擾 |
| 已安裝續流二極體 | 約為電源電壓 + 0.7 V（矽二極體） | 線圈電阻及二極體 | 使用額定值合適的二極體時，風險較低 |
如何為繼電器選擇續流二極體
選擇反向電壓額定值高於線圈供電電壓並留有餘量，且順向電流額定值至少等於線圈電流的二極體。由於繼電器的切換頻率較低，一般整流二極體通常已具備足夠的速度。
- 反向電壓：高於線圈供電電壓，並為電源瞬變保留餘量。
- 順向電流：至少等於線圈電流，因為這就是二極體在關閉瞬間承受的峰值電流。
- 順向電壓：蕭特基二極體的箝位電壓會略低於矽二極體。
計算範例：Songle SRD-05VDC-SL-C 繼電器的線圈規格為 5 V、70 Ω，因此線圈電流為 5 V / 70 Ω = 71.4 mA。使用額定值為 75 V、150 mA 的二極體即可滿足此繼電器的需求。
請參閱二極體類型指南，了解開關二極體、整流二極體及蕭特基二極體之間的差異。1N4148W、M7 及 SS14 均可在JLCPCB 元件庫中找到：
| 二極體 | JLCPCB 料號 | 類型及封裝 | 反向電壓 | 順向電流 | 典型適用情況 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1N4148W | C81598 | 開關二極體，SOD-123 | 75 V | 150 mA | 線圈電流遠低於 150 mA 的小型繼電器 |
| M7 (1N4007 equivalent) | C95872 | 整流二極體，SMA | 1000 V | 1 A | 適用於大多數繼電器線圈的通用選擇 |
| SS14 | C2480 | 蕭特基二極體，SMA | 40 V | 1 A | 最高 24 V 線圈，且需要較低箝位電壓的應用 |
續流二極體與齊納箝位：加快繼電器釋放
一般續流二極體能保護電晶體，但由於箝位電壓較低，線圈電流衰減較慢，因此會延長繼電器的釋放時間。串聯齊納二極體可提高箝位電壓，使電流及磁場更快衰減。
TE Connectivity 的白皮書《Coil Suppression Can Reduce Relay Life》指出，磁通量衰減過慢會降低銜鐵開啟時可用的作用力，可能導致接點黏合後持續閉合；而一般二極體串聯齊納二極體的衰減速度，則接近未使用抑制元件的線圈。其代價是關閉瞬間的電晶體電壓較高，即電源電壓加上齊納電壓及一個二極體壓降。
圖：僅使用二極體，以及使用二極體搭配齊納二極體的繼電器線圈抑制方式，並比較兩者的箝位電壓。
Worked check:使用 5 V 線圈、BZT52C12 12 V 齊納二極體（C19077410）及矽二極體時，集極電壓約為 5 + 12 + 0.7 ≈ 17.7 V；若齊納電壓達到 12.6 V 的容差上限，則約為 18.3 V。這些估算值低於 C2146 標示的 25 V VCEO，但並不能證明在最壞情況下仍有足夠餘量。
選擇電晶體前，請先確認所選齊納二極體在線圈初始電流及溫度下的最高電壓、最高電源電壓、二極體壓降，以及切換過衝電壓。如果總和超過電晶體的 VCEO，請改用較低齊納電壓的元件。由於大部分線圈能量會由齊納二極體吸收，因此也必須檢查其單次脈衝熱容量／能量承受能力，以及在預定重複頻率下的平均功耗。
| 抑制方式 | 關閉瞬間的電晶體電壓 | 釋放速度 | 線圈類型 |
|---|---|---|---|
| 僅使用二極體 | 電源電壓 + 0.7 V | 最慢 | 直流 |
| 二極體 + 電阻 | 電源電壓 + 線圈電流 × R + 0.7 V | 較快 | 直流 |
| 二極體 + 齊納二極體 | 電源電壓 + 齊納電壓 + 0.7 V | 接近未使用抑制元件的狀態 | 直流 |
| 雙向 TVS | 電源電壓 + TVS 箝位電壓 | 快速 | 直流或交流 |
| RC 緩衝電路 | 由 R、C 及線圈電流決定 | 中等 | 交流或直流 |
續流二極體只適用於直流線圈。若用於交流線圈，在其中一個極性的每個半週期都會處於順向偏壓，造成電源短路。因此，交流線圈應改用 RC 緩衝電路、壓敏電阻或雙向 TVS。
完成繼電器驅動電路設計及驗證後，下一步就是進入 PCB 製作階段。
將 Gerber 檔案上傳至 JLCPCB，即可立即取得製造報價，並將電路設計製作成實體電路板。
結論
續流二極體是保護電晶體驅動式直流繼電器的簡單而重要的元件。繼電器關閉時，它能為線圈電流提供安全的流通路徑，避免產生具破壞性的電壓尖峰。
為了確保保護效果，請將二極體陰極連接至線圈正電位端，並選擇具備合適電壓及電流額定值的二極體。如果需要加快繼電器釋放，可考慮串聯齊納二極體，在切換速度與電晶體保護之間取得平衡。
繼電器續流二極體常見問題
繼電器需要安裝續流二極體嗎？
需要。只要使用電晶體、MOSFET 或驅動 IC 切換直流繼電器線圈，就應安裝續流二極體。否則，關閉時的電壓尖峰可能超過驅動元件的額定電壓。許多繼電器模組已內置此二極體。
如果續流二極體接反會怎樣？
繼電器將無法通電動作，二極體或電晶體也可能過熱。二極體接反後，電晶體一導通，二極體便會立即順向導通，使大量電流流經電晶體，而不是線圈。
可以使用 1N4148 作為繼電器續流二極體嗎？
可以，但僅適用於線圈電流遠低於二極體順向額定電流的小型繼電器，例如電流約為 71 mA 的 5 V 線圈。對於較大電流的線圈，請使用 1N4007 等 1 A 整流二極體。
續流二極體會讓繼電器動作變慢嗎？
會。二極體會在關閉瞬間將線圈電壓維持在較低水平，因此線圈電流衰減較慢，接點也會較晚斷開。將齊納二極體與一般二極體串聯，可縮短繼電器的釋放時間。
可以使用蕭特基二極體作為繼電器續流二極體嗎？
可以，但其反向電壓額定值必須高於線圈供電電壓並保留餘量。SS14 等蕭特基二極體的箝位電壓略低於矽二極體，適用於最高 24 V 的線圈。
持續學習
如何連接並選擇繼電器續流二極體
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