在继电器线圈两端安装续流二极管是一种常见做法。事实上，制造商常将二极管集成到继电器插座中，偶尔也会直接内置在继电器封装内。这种近乎普遍的做法证明该解决方案实用可靠。尽管如此，续流二极管并非理想解决方案。我们可以在继电器断开速度方面做得更好。
本文将探讨续流二极管的局限性，并介绍采用有源钳位MOSFET的快速电感放电电路。该方案通过快速消散电感器磁场来加速继电器断开，同时提升物理触点的分离速度。这有望通过减少继电器触点断开时的电弧现象，提升工业控制系统的寿命和性能。
虽然本文侧重分立元件的理论实践教学，但市场上也存在集成解决方案。MAXIM公司的MAX14912工业级高速开关就是典型案例，也是本文的灵感来源。随着这些元件的普及，未来可编程逻辑控制器(PLC)制造商可能会摒弃常规续流二极管方案。
在深入探讨前，建议先阅读下方列出的背景文章以建立必要认知框架。这些文章阐述了继电器开合特性与电感L/R时间常数关系的先验知识。
回顾
前文已探讨过机电继电器开合动作的时延特性。如所述，继电器动作主要受线圈电感相关的时间常数支配。继电器激活需要建立磁场。同理，继电器复位需要磁场消散。其响应遵循以下方程：
\tau = \dfrac{L}{R}
其中L代表线圈电感，R包含线圈固有电阻与外部附加电阻。
继电器的L/R时间常数隐含电压相关性。注意：
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V_{施加} = V_{继电器} + (I_{继电器} \ * \ R_{外部})
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V_{续流} \approx I_{继电器} \ * \ R_{外部}
例如，考虑一个设计用于24伏直流系统、线圈电阻为500欧姆的继电器。假设采用L/2R系统，该电路将包含一个500欧姆的外部电阻，并需要48伏直流电源。额外的500欧姆外部电阻使磁场扩展速度约提升一倍，显著提高了继电器的闭合速度。
继电器断开时也存在类似情况。此处，与续流二极管串联的附加电阻导致磁场更快衰减，相应提高了继电器的断开速度。
请注意，先前文章以令人失望的结论收尾。对于所选工业继电器，其感应时间常数与理论相符。但触点运动的表观速度并未改变。动作时间（单刀双掷触点切换状态所需时间）和回跳时间基本保持恒定。然而，本文所述实验的情况有所不同。我们通过MOSFET有源钳位电路实现了继电器磁场的快速放电，同时提升了触点运动速度。
有源 MOSFET 钳位电路
测试电路如图1所示，对应原理图见图2。乍看之下，该电路可能显得设计过度。毕竟本可采用漏极连接继电器的低边MOSFET来驱动继电器。尽管如此，让我们分析该电路：
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Arduino Nano Every通过光耦接入驱动电路。这提供了安全保障。尤其当我们在面包板上搭建具有高压尖峰的电路时更是如此。光耦隔离还实现了地线分离，使Arduino和驱动PC与实验系统隔离。
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晶体管Q1和Q2作为电平转换器工作。它们将接地参考的控制信号提升至24伏直流电源轨之上。这是必要的，因为高边MOSFET的栅极驱动电压需比24伏电源轨高出约10伏。
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电荷泵通过晶体管Q2为MOSFET栅极提供驱动电压。
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继电器由MOSFET Q3直接驱动。
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右侧电路使我们能够监测继电器的常开（N.O.）和常闭（N.C.）触点。
我们刚才描述的系统并无特别之处。虽然复杂，但从Arduino到继电器线圈的A到B到C到D的激活过程贯穿始终。当我们注意到没有续流二极管时，其目的就变得清晰了。这并不是错误，因为不需要二极管。
图 1 ：演示电路的图片。从左到右：电荷泵、电平转换器和带主动钳位的MOSFET。
图 2 ：采用带主动钳位的高边MOSFET驱动器的继电器驱动电路图。
技术提示 ：许多MOSFET包含一个体二极管，其电流处理能力与MOSFET沟道相当。对于N沟道MOSFET，该二极管“指向”上方，阳极连接源极，阴极连接MOSFET漏极。
你可能会认为不需要续流二极管，因为MOSFET体二极管已经实现了这一功能。事实并非如此，因为极性是错误的。实际上，MOSFET体二极管在该系统中从未正向偏置。
或许你对继电器的低边驱动器很熟悉。当继电器关闭时，我们预期会出现正电压尖峰。但高边驱动器并非如此。相反，当从MOSFET的源极到地测量时，我们会看到续流电压表现为负尖峰。可视化这一负尖峰对于理解MOSFET钳位的工作原理至关重要。
假设Q2刚刚被关闭。从电路分析的角度来看，R8左侧的所有部分都被移除。继电器线圈中储存有能量，MOSFET源极上的电压相对于地迅速变为负值。这一过程将持续到由二极管D3和D6组成的主动钳位激活为止。当齐纳二极管D6激活时，导通发生在接近100 VDC的电压下。
此时，MOSFET的栅极停止移动。当 V_{GS} 再次变为正时，MOSFET开始导通。实际上，我们刚刚形成了一个保持 V_{DS} 恒压的反馈回路。本例中，MOSFET两端的电压约等于齐纳二极管电压。
通过分析可见，反激二极管及用于降低L/R时间常数的电阻均不再必要。相反，MOSFET 实现了这三个元件的全部功能 。它同时充当继电器驱动器、可变电阻器，以及钳位继电器反激电压的反激二极管。
注意该电路专注于改善继电器断开动作。对由继电器固有L/R时间常数完全主导的吸合速度则无任何改进。
结果
图3所示结果采用与前文相同的基础配置。共包含三个面板：
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上部：橙色波形（通道1）为MOSFET Q2源极测得的继电器驱动电压。蓝色波形（通道2）为R10分流电阻测得的继电器电流。
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中部：蓝色波形（通道2）为继电器常闭触点上的电压。该常闭触点正恢复至闭合状态。
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下部：蓝色波形（通道2）为继电器常开触点上的电压。请注意此时继电器正处于断电过程。常开触点正恢复至断开状态。
图 3 ：继电器断开时的波形，包含线圈电流、常闭触点及常开触点。
根据图3数据可观察到：
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衔铁运动首次出现在2ms时刻，此时常开触点切换。
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从1.9ms至2.8ms存在0.9ms的飞行时间。在此"飞行时间"内，常开与常闭触点均未接通电路。
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首次接触常闭触点发生在2.8ms。
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触点弹跳持续7.2ms，从2.8ms延伸至10ms。
这是所有前期实验中记录到的最佳结果。1.9ms首次观测到运动的表现极佳，0.9ms的飞行时间同样出色。然而，弹跳时间显著增加了。这几乎是之前测试中观察到的两倍时长。
虽然继电器这种增加的稳定时间通常是不希望看到的，但它却是个好结果。这真实表明触点正在以更高的速度运动。正如早前文章提到的篮球类比，动能增加的球会弹得更高且持续时间更长。本例中的触点似乎就是这种情况。
结果解读
正如本系列文章多次提到的，线圈的L/R时间常数是继电器吸合与释放时间的主导因素。为更好理解MOSFET有源钳位的工作方式，将继电器替换为Hammond 30 H电感器。结果如图 4 所示。
图 4 ：展示MOSFET有源钳位对大型电感器消磁的图示，呈现了MOSFET随时间变化的电阻特性。
技术提示 ：如图4所示的图形显示了电压波形中的振铃现象。这是同时包含电感和电容元件的典型电路特征。无功元件包括继电器线圈电感、线间固有电容以及C1/R11缓冲器中存储的能量。
橙色通道（CH 1）轨迹显示了钳位作用。可见MOSFET源极对地电压稳定在约78 VDC。计入24 VDC电源轨后，MOSFET的 V_{GS} 约为100 VDC。蓝色通道（CH 2）轨迹显示电感电流。
该轨迹与我们的直觉预期不符。它并未遵循RC或RL电路相关的指数曲线。原因是该电路中电阻并非恒定值。相反，我们看到电阻随时间推移而增加。结合时间常数方程可知，有源钳位使\tauτ值比固定电阻时衰减得更快：
\tau = \dfrac{L}{R_{递增}}
因此继电器磁场中的能量被转移至MOSFET并以热能形式耗散。图4中计算的电阻值代表MOSFET在各时间点的动态 V_{DS} 电阻。例如，红色线路的计算公式为：
R_{MOSFET} = \dfrac{V_{DS}}{I} = \dfrac{24 - (-78)}{0.035} = 2.9\ k\Omega
再次强调，增大电阻有助于缩短时间常数。但需与继电器驱动器的设计最大电压取得平衡。在图2的电路原理图中，承受最大应力的是Q2 PNP晶体管。该晶体管的 V_{CE} 承受近115伏直流电压，已接近其150伏直流的设计极限。
结论
本文介绍的电路未经优化。而是用现成元件快速搭建而成。相信它已达成目标，为您构建自己的电路提供了起点。这个电路可供您继续实验使用。首个待改进的电路元件是电荷泵。增加电流并采用更稳固的电平转换器，可为MOSFET提供更低阻抗驱动。
如开篇所述，现有驱动IC能以精巧封装实现此功能。此类IC还包含本文未涉及的限流和MOSFET过热检测电路。例如MAX14912，这款器件在56-QFN微型封装中集成八个此类驱动器。该器件专为工业控制系统中常见的24伏直流电源设计。
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