淺析繼電器的選型與應用

1. 概述
　　面對紛繁復雜的繼電器產品，如何合理選擇、正確使用，是系統開發、設計人員密切關注并且必須優先解決的實際問題。要做到合理選擇，正確使用，就必須充分研究分析系統的實際使用條件與實際技術參數要求，按照“價值工程原則” ，恰如其分地提出所選用繼電器產品必須達到的技術性能要求。在整機的可靠性設計中，要求合理選用元器件。元器件的選擇和控制是需要多學科知識才能完成的一項任務，一般應由元器件工程師、可靠性設計師、總體及電路設計師、失效分析人員共同完成。首先要根據整機系統的重要程度、可靠性要求、所使用的環境條件及成本等項要求綜合考慮和選擇。具體說來，大致可按下列要素逐條分析研究，確認所要求的等級以及量值范圍。選擇時必須重視以下幾個方面的要求。
　　
　　2. 對使用環境條件的選擇
　　氣候應力作用要素，主要指溫度、濕度、大氣壓力(海拔高度)、沿海大氣(鹽霧腐蝕)、砂塵污染、化學氣體和電磁干擾等要素。考慮系統在全國各地各行業及自然環境的普遍適用性，兼顧必須長年累月可靠運行的特殊性，系統關鍵部位必須選用具有高絕緣、強抗電性能的全密封型(金屬罩密封或塑封型，金屬罩密封產品優于塑封產品) 繼電器產品。因為只有全密封繼電器才具有優良的長期耐受惡劣環境性能、良好的電接觸穩定、可靠性和穩定的切換負載能力（不受外部氣候環境影響）。
　　2.1　溫度對繼電器的影響
　　繼電器是怕熱元件，高溫可加速繼電器內部塑料及絕緣材料的老化、觸點氧化腐蝕、熄弧困難、電參數變壞，使可靠性降低，所以，要求設計時使繼電器不要靠近發熱元件，并有良好的通風散熱條件。
　　繼電器雖然是怕熱元件，但對過低溫度（如軍用航空條件- 55℃） 也不能忽視，低溫可使觸點冷粘作用加劇，觸點表面起露，銜鐵表面產生冰膜，使觸點不能正常轉換，尤其是小功率繼電器更為嚴重。試驗證明，對于有些按部標生產的國產小功率繼電器，雖然使用條件規定低溫為- 55℃，但實際上在此條件下繼電器根本無法進行正常轉換，建議在選擇時要留有充分的余量，對于重要的軍用電子整機，建議選用國軍標產品。
　　2.2　低氣壓對繼電器的影響
　　在低氣壓條件下，繼電器散熱條件變壞，線圈溫度升高，使繼電器給定的吸合、釋放參數發生變化，影響繼電器的正常工作；低氣壓還可使繼電器絕緣電阻降低、觸點熄弧困難，容易使觸點燒熔，影響繼電器的可靠性。對于使用環境較惡劣的條件，建議采用整機密封的辦法。
　　2.3　機械應力對繼電器的影響
　　主要指振動、沖擊、碰撞等應力作用要素。對控制系統主要考慮的是抗地震應力作用、抗機械應力作用能力，宜選用采用平衡銜鐵機構的小型中間繼電器。電磁繼電器的簧片均為懸梁結構，固有頻率低，振動和沖擊可引起諧振，導致繼電器觸點壓力下降，容易產生瞬間斷開或觸點出現抖動，嚴重時可造成結構損壞，可動的銜鐵部分可產生誤動作，影響繼電器的可靠性。建議在設計中盡量采取防振措施以防產生諧振。
　　根據上述環境條件對繼電器的影響，在選擇繼電器時，首先要使繼電器滿足整機規定的各項環境條件的要求。如果不能全面考慮各項環境條件，研制出來的整機就達不到合同規定的技術要求。如在軍用機載電子設備上選用JRC- 5M小型電磁繼電器，若只重視環境溫度可滿足整機要求而忽視振動、沖擊條件。這些條件不能滿足，就必須采取相應的防范措施，否則可靠性得不到保證。
　　2.4　絕緣耐壓
　　非密封或密封繼電器的引出端外露絕緣子長期受塵埃、水氣污染，導致其絕緣強度下降，在切換感性負載時的過電壓作用下，引起絕緣擊穿失效。針對繼電器絕緣固有特性，在選型時必須依據繼電器的以下技術特性：
　　2.4.1　足夠的爬電距離：一般要求>3 mm（工作AC 220V）；
　　2.4.2　足夠的絕緣強度：無電氣聯系的導體之間>AC 2000V（工作AC 220V），同組觸點之間>AC 1000V；
　　2.4.3　足夠的負載能力：DC 220 V感性；5～40 ms，>50W；
　　2.4.4　長期耐受氣候應力的能力：線圈防霉斷、絕緣抗電水平長期穩定可靠。
　　2.5　密封繼電器與非密封繼電器
　　部分工程技術人員認為非密封產品動作狀態直觀、失效分析方便，而密封產品動作過程看不見摸不透，兩者的優缺點如下：
　　非密封繼電器的優點是多采用拍合式銜鐵，結構簡單、制造工藝簡便、安裝維修方便、工作狀態直觀、便于失效分析、價格便宜。主要缺點是工作可靠性對使用環境（氣候應力、機械應力）變化的敏感性強；長期耐受氣候條件性能隨時間增長而易受環境條件污染、損傷；電接觸穩定性、可靠性差；線圈易受潮氣、雜質污染產生電腐蝕、霉變等而失效。
　　密封繼電器優點是多采用平衡旋轉式銜鐵，全密封結構隔離外部氣候應力作用，抗惡劣環境性能優良；觸點電接觸性能穩定可靠，線圈抗腐蝕、霉變，長期可靠性能優良。缺點是結構復雜，制造工藝特殊，失效分析困難，本身無法維修重復使用，成本、價格高。
　　因此，從長期耐氣候應力性能、抗惡劣環境性能與電接觸穩定可靠性考慮，密封繼電器明顯優于非密封繼電器。針對可靠性要求高的航天、航空、軍用系列，主要選用金屬罩密封繼電器產品。對于重要場合的生產過程自動化控制系統，要求長期穩定可靠工作的特殊性，理應以選用密封繼電器產品為主。
　　
　　3. 激勵線圈輸入參量
　　主要是指過激勵、欠激勵、低壓激勵與高壓（220V) 輸出隔離、溫度變化影響、遠距離有線激勵、電磁干擾等要素，這些都是確保系統可靠運行必須認真考慮的因素。按繼電器所規定的激勵量激勵是確保它可靠、穩定工作的必要條件。
　　繼電器的技術條件一般對線圈的電壓都給出工作電壓、吸合電壓、釋放電壓。要保證繼電器的正常工作，在電路連接時，一定要保證在任何情況下都要使給定的三個電壓滿足技術條件規定的數值。否則，繼電器無法正常轉換。
　　3.1　關于串聯供電激勵方式
　　不少用戶采用串聯分壓供電方式給繼電器線圈施加激勵量，驅動繼電器動作。這種激勵方式一般是不可取的。因繼電器的吸合時間主要取決于回路的時間常數T，且T = L/R。當串聯電阻R1給繼電器線圈供電時，R=R1+ R2，則有L/R2>L/(R1+R2)；顯然，串聯R1后使T減小，繼電器的吸合時間加速。特別是當R1≥R2，電壓很高時，吸合時間將大大減少。運動部件的過快動作，將加大運動部件接合時的沖擊、碰撞、反彈，從而增大觸點回跳，加速機械磨損，降低觸點的負載能力與機械壽命。因此，串聯供電激勵方式改變了繼電器原設計所規定的正常工作狀態，一般是不可取的。當觸點回跳、機械磨損對實際使用不構成利害關系，且特別需要加快動作速度時，才可以采用提高激勵電壓或串聯電阻供電激勵方式。
　　3.2　繼電器線圈串聯的使用
　　采用多個繼電器線圈串聯后，再用DC 220V電源去激勵，這種激勵方式必須謹慎采用。
　　3.2.1　對相同類型、相同規格繼電器產品而言，由于各線圈的阻抗（含直流電阻與瞬時感抗）大體相同，差值較小，故采用串聯分壓激勵方式使用問題不大。實踐證明也是可行的。
　　3.2.2　對不同類型或不同規格的繼電器產品言之，由于不同繼電器線圈的阻抗不一致，且差值隨瞬時感抗的不同而相差很大，故串聯激勵瞬間，各繼電器線圈上所分得的激勵電壓（由瞬時分壓比決定）差值必然很大，勢必出現有的繼電器處于過壓激勵狀態，有的則處于欠壓激勵狀態，各繼電器觸點的開關時序與速度將會發生本質性變化，必然會出現動作先、后，快、慢顛倒，開關不可靠等情況。因此，不同類型、不同規格的繼電器線圈不宜采用串聯分壓激勵方式。
　　3.3　關于繼電器線圈并聯使用
　　在復雜的控制回路中，將2只（或多只）不同類型的繼電器（如接觸器K1、小型靈敏繼電器K2）線圈并聯使用的情況時有發生，在這種情況下，有可能產生K1延遲釋放、觸點斷弧能力下降，K2被反向重復激勵、觸點誤動作等實際問題。在直流控制回路中，K1，K2線圈所貯存的磁能可能相差很大。當線圈電源失電后，K1（磁能大）的貯能將通過K2（磁能小）的線圈泄放，產生反向電流。從而導致K1釋放時間延長，觸點斷弧速度遲緩，觸點間燃弧時間延長；K2的釋放時間短，隨后被反向泄放電流所激勵，甚至釋放后瞬間重復吸合，產生誤動作故障。在實際應用時應注意避免上述因疏于研究而導致的不可靠現象。
　　4.　觸點輸出（換接電路）參量
　　主要是指觸點負載性質，如燈負載，容性負載，電機負載，電感器、接觸器線圈、扼流圈負載，阻性負載等；觸點負載量值（開路電壓量值、閉路電流量值），如低電平負載、干電路負載、小電流負載、大電流負載等。
　　根據被繼電器驅動設備的負載性質、負載容量選用合適的繼電器， 是繼電器可靠工作的基本條件，繼電器的失效或可靠不可靠，主要指觸點能否完成所規定的切換電路功能。如切換的實際負載容量大于所選用繼電器規定的切換負載容量，繼電器是不可能可靠工作的。
　　4.1　關于觸點的負載
　　繼電器觸點故障是繼電器失效的核心所在，當觸點實際切換的負載電壓小于起弧電壓，電流小于1A時，特別是在中等電流（試驗標準為DC 28V，0.1A）、低電平（10～30mV，10～50LA）或干電路（指繼電器觸點先閉合，后接通毫伏微安級負載）條件下，觸點實際工作時的失效機理、失效方式與實際切換額定功率負載全然不同。正是為了滿足不同負載的不同要求，不同產品在設計、制造工藝、檢測、試驗要求也各不相同。因此，在實際選用繼電器產品時，一定不能錯誤地認為：繼電器的觸點開關適用于從零到規定額定值的所有負載，更不能認為通過觸點的實際負載比產品標準所規定的額定負載越小越可靠。例如能可靠切換220V，10A負載的觸點，并不一定能可靠地切換10 mA的實際負載。更不可用它去換接低電平或干電路負載。因此，對中等電流、低電平，干電路負載建議選用接觸可靠性優良的金屬罩全密封產品。根據現場使用統計，在繼電器使用中，由于對觸點負荷使用不當造成的失效，約占繼電器總失效率的70%。如何正確設計觸點負荷應力是保證繼電器可靠性的關鍵。
　　一般在可靠性設計中，降額設計是提高可靠性最有效的措施，對其它元器件來講，如果不考慮其它因素如成本、體積等，降額越多，可靠性越高。但是，繼電器與其它元器件有不同之處，并不是觸點所加的負荷應力越小越可靠，這主要是由觸點失效機理決定的。當觸點電流使用到100毫安時，觸點的電弧作用明顯減弱，觸點在高溫條件下析出的含碳物質不能被電弧燒掉而沉積在觸點表面，使觸點接觸電阻增大，影響接觸可靠性。
　　當觸點負荷使用在10毫安以下或50毫伏以下時，接觸可靠性明顯降低，因為這時電壓無法擊穿觸點表面的膜電阻，將出現低電平失效。尤其在高溫條件下，加速了觸點的氧化，低電平失效表現得更為嚴重，所以把10毫安以下，50毫伏以下的負載稱為低電平負載。如果要求繼電器工作在低電平條件下，需要與生產廠簽訂專門技術協議，生產廠要按低電平要求進行生產和篩選，否則將出現低電平失效，嚴重影響可靠性。
　　繼電器的負荷應力雖然不能過小，但是，技術條件給出的負荷應力，是觸點的最大額定值，是在任何情況下都不應該超過的參數。如果在使用中超過，輕者可造成壽命縮短，可靠性降低，重者可燒毀觸點，造成失效。這主要是繼電器觸點在大負荷下工作時所產生的飛弧導致觸點被燒熔，在觸點表面形成凹凸不平，形成機械咬合而無法分開，觸點負荷越大，飛弧越大，觸點被燒毀的可能性越大。從以上分析可知，適當的降額仍是提高繼電器可靠性的有效措施。
　　觸點負荷的正確使用，在一般情況下，負荷應力應設計在100毫安以上、技術指標給定的額定負荷值的百分之八十以下比較可靠。值得注意的是，繼電器觸點的額定負荷值是在阻性負載條件下給定的，當使用的負載是感性、容性及燈載時，可產生10倍的浪涌電流，所以如果不是阻性負載，使用時一般應按表1所示進行換算。
　　

 
　　4.2　關于電容負載
　　繼電器接點作為切換容性負載回路的自保接點，易引起接點粘接而不能釋放，其原因是由于電容器的充放電過程，類似于電容儲能點焊過程。進一步分析試驗表明：給22μF電容器充足DC 220 V電壓后，再激勵繼電器使其觸點直接短路放電，10次之內，純銀觸點即可產生焊接不放現象。從理論上考慮，電容器的放電電流為：
　　
 
　　式中：
　　U - 為電容器兩端電壓；
　　R - 為放電回路電阻；
　　T - 為時間常數；
　　由于R約等于觸點的接觸電阻，趨近于零，在開始放電瞬間i= U/R；i非常大，也就是說： 電容器所儲存的全部能量，在很短時間內全部通過觸點泄放，從而直接導致點焊焊接失效。因此，長的傳輸線、消除電磁干擾用的濾波器、電源等都是強容性的。用于此類負載的繼電器應結合設備特性選用。
　　4.3　關于繼電器觸點的并聯使用
　　4.3.1　不能用觸點并聯的方式提高功率；有時，用一組觸點不能滿足電路的功率要求時，有時采用兩組或多組觸點并聯的方式來保證電路的功率要求。但是，由于繼電器觸點在動作時存在微小的時間差（一般兩組觸點動作時間相差0.1毫秒～0.2毫秒）。由此可知，先接通的一組觸點將承受全部功率，處在超應力條件下進行切換，很容易被大電流形成的電弧燒毀而失效，所以，要求在使用繼電器時，不能用觸點并聯的方式提高功率。
　　4.3.2　一般不采用觸點并聯的方式提高可靠性；在可靠性設計中，冗余設計可以提高可靠性。有些設計師利用冗余設計的原理，主觀上想利用繼電器觸點并聯的方式提高控制電路的可靠性。但是，一般控制電路的作用是利用觸點相互轉換作用達到對電路的控制。如果采用觸點并聯的方式，接通的可靠性雖然提高了，但斷開的可靠性卻降低了，所以對一般用繼電器控制的轉換電路，采用并聯方式提高可靠性是不可取的。只有對特殊要求，例如一次接通或斷開就能完成規定功能的電路（如發射衛星，只要求繼電器觸點把火箭的點火系統接通就完成任務），采用觸點并聯的方式可提高可靠性。
　　4.4　繼電器觸點的正確連接
　　4.4.1　應盡量多用動合觸點、少用動斷觸點；在對繼電器觸點連接時，應盡量多采用動合觸點的連接方式，少用動斷觸點，其原因是動合觸點比動斷觸點在動作時的觸點回跳次數少。眾所周知，觸點抖動對電路產生不良影響，而且縮短了觸點的壽命。
　　4.4.2　對轉換觸點極性的正確連接；轉換觸點極性的連接對觸點壽命的影響極大，正確的連接應是可動觸點接電源陰極，固定觸點接電源陽極。其原因是通過對兩種不同連接的測試表明，在相同負載條件下，按上述正確的極性連接與相反的極性連接，其觸點的燃弧時間要減短二分之一，因而提高了觸點壽命。