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如何正確使用以確保舌簧繼電器的可靠性?-上海上繼科技有限公司

發(fā)表時(shí)間:2023-12-11 10:09 瀏覽次數(shù):374 〖返回〗

舌簧繼電器是本質(zhì)上可靠的設(shè)備。然而,不正確的使用可能會(huì)損害可靠性。 Kevin Mallett 解釋了使用不當(dāng)會(huì)如何縮短舌簧繼電器的使用壽命并導(dǎo)致過(guò)早失效。


當(dāng)在指定的操作參數(shù)范圍內(nèi)使用時(shí),舌簧繼電器可以執(zhí)行數(shù)百億次操作,而性能變化很小或沒(méi)有變化。例如,每天每小時(shí)運(yùn)行 100 次(24 小時(shí)周期),大約需要 1141 年才能達(dá)到 10 億次運(yùn)行的里程碑。增加操作頻率不應(yīng)引起關(guān)注,因?yàn)橐_(dá)到每分鐘 100 次操作 19 年后才能達(dá)到相同的里程碑,而每秒 100 次操作則需要近 4 個(gè)月。


誠(chéng)然,您不太可能設(shè)計(jì)預(yù)期壽命為 1000 年的產(chǎn)品或系統(tǒng),但我們的觀點(diǎn)是:對(duì)于大多數(shù)處于常規(guī)的切換頻率的應(yīng)用,您只需要考慮在您的系統(tǒng)產(chǎn)品達(dá)到其預(yù)期使用壽命之前,繼電器(如果使用正確)簧片的使用不會(huì)超過(guò)預(yù)期壽命。


然而,很難為舌簧繼電器簡(jiǎn)單描述可靠性指標(biāo)。雖然固態(tài)設(shè)備(例如數(shù)字 I/O 緩沖器等集成電路 (IC))的平均故障間隔時(shí)間 (MTBF) 表示為預(yù)計(jì)的故障間隔時(shí)間,但舌簧繼電器的預(yù)期壽命很大程度上取決于它正在切換的能量和它正在傳導(dǎo)的電流。


某些應(yīng)用需要繼電器在每次操作時(shí)切換相同的電壓和電流。也有應(yīng)用會(huì)切換不同的電壓和電流。


不正確使用舌簧繼電器可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生永久性或間歇性故障,并可能損壞與其關(guān)聯(lián)的電路(以及擴(kuò)展產(chǎn)品/系統(tǒng))的其他部分。但即使在此類故障發(fā)生之前,您也可能會(huì)看到繼電器性能下降,也可能會(huì)對(duì)產(chǎn)品和/或系統(tǒng)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。


永久性故障


一旦投入使用,舌簧繼電器可能失效的類型之一是簧片已熔合在一起,導(dǎo)致開(kāi)關(guān)永久閉合。


而簧片熔斷通常是由于熱切換而導(dǎo)致的(見(jiàn)圖 1),即當(dāng)舌簧繼電器使能(線圈通電,開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)閉合)時(shí),觸點(diǎn)兩端的電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生了大電流。例如,您可能將高電壓切換至低電阻負(fù)載。此外,如果負(fù)載具有顯著的電容性或電感性,那么還會(huì)出現(xiàn)其他問(wèn)題。


當(dāng)舌簧繼電器的開(kāi)關(guān)閉合時(shí),容性負(fù)載將吸收初始高電流(稱為浪涌電流)。


感性負(fù)載會(huì)帶來(lái)不同類型的問(wèn)題。打開(kāi)舌簧繼電器的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)時(shí),通常會(huì)出現(xiàn)電壓尖峰和高電流。這是因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)。


請(qǐng)注意,盡管我們?cè)谏厦嫣岬搅穗妷汉碗娏?,但?huì)造成損壞的電壓和電流不一定很高。關(guān)鍵是能量。例如,正如讀者所知,電容器中能量的表達(dá)方式之一是 CV2/2。這意味著充電至 5V 的 1μF 電容器可存儲(chǔ) 12.5μJ 的能量,這足以使簧片開(kāi)關(guān)粘住。


無(wú)論釋放能量的原因是什么,也無(wú)論開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)是打開(kāi)還是閉合,熱開(kāi)關(guān)期間都可能會(huì)產(chǎn)生電弧。







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圖 1:熱切換期間產(chǎn)生的電弧會(huì)損壞簧片


注意:也可能出現(xiàn)繼電器永久無(wú)法斷開(kāi)的情況,即向線圈提供所需的功率不再導(dǎo)致簧片開(kāi)關(guān)閉合,但這在很大程度上取決于簧片的設(shè)計(jì)和/或制造質(zhì)量(我們將在第 2 部分中討論)。也就是說(shuō),不正確的使用(溫度和/或磁性相互作用 - 見(jiàn)下文)也可能導(dǎo)致觸點(diǎn)無(wú)法閉合。


性能下降


給線圈通電導(dǎo)通開(kāi)關(guān),給線圈斷電斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。打開(kāi)或關(guān)閉開(kāi)關(guān)所需的時(shí)間取決于磁場(chǎng)的強(qiáng)度,而磁場(chǎng)的強(qiáng)度又取決于流過(guò)線圈的電流。


為了確保電流足夠高,所有舌簧繼電器都設(shè)計(jì)為在一定程度的過(guò)載下運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō),過(guò)載會(huì)縮短操作時(shí)間,但會(huì)增加釋放時(shí)間。這是因?yàn)榫€圈的磁場(chǎng)需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能消失。圖 2 顯示了過(guò)載與操作和釋放時(shí)間之間的關(guān)系。





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圖 2:上圖顯示了磁簧開(kāi)關(guān)的打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)間如何隨電壓過(guò)載變化。數(shù)據(jù)是從 Pickering Electronics 109P-1-A-5/2D 舌簧繼電器記錄的,該繼電器的標(biāo)稱線圈電壓為 5V,并包含一個(gè)用于抑制反電動(dòng)勢(shì)的二極管。 0% 過(guò)載相當(dāng)于約 2.7V,剛好足以閉合觸點(diǎn)。在40% 的過(guò)載情況下,相當(dāng)于 3.75V。這是繼電器數(shù)據(jù)表中規(guī)定的“必然動(dòng)作電壓”。此外,其標(biāo)稱 5V 相當(dāng)于 2.7V 上的 85% 過(guò)載?;蛘?,換句話說(shuō),其標(biāo)稱 5V 是具有 33% 過(guò)載的“必然動(dòng)作電壓。


上述數(shù)據(jù)是在受控環(huán)境條件下收集的。然而,溫度也會(huì)產(chǎn)生影響。因?yàn)槔^電器的線圈是由銅制成的,其溫度系數(shù)幾乎為每度 0.4%,隨著溫度的升高,銅的電阻也會(huì)增加。溫度升高 25°C 相當(dāng)于電阻增加 10%。


由于為繼電器線圈供電的電壓很可能來(lái)自集成電壓調(diào)節(jié)器(IVR – 接近恒定),因此通過(guò)線圈的電流將減少 10%。


如果您知道繼電器將在明顯高于額定溫度的環(huán)境中工作,那么比較好的設(shè)計(jì)實(shí)踐是增加一點(diǎn)過(guò)載(電壓)。但請(qǐng)注意,過(guò)多的過(guò)載也會(huì)導(dǎo)致額外的發(fā)熱。


性能下降的另一個(gè)方面是磁簧開(kāi)關(guān)接觸電阻的增加。


在電子行業(yè)中,接觸電阻達(dá)到 1Ω 或以上就被認(rèn)為是舌簧繼電器的使用壽命終止。然而,這個(gè)數(shù)字有些隨意,是為了方便而選擇的。對(duì)于大多數(shù)繼電器,接觸電阻為 0.1Ω。是的,十倍肯定是壽命終止,但實(shí)際上,例如,如果繼電器用于精密儀器,0.2Ω 的接觸電阻可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。


如果閉合的磁簧開(kāi)關(guān)傳導(dǎo)的電流很高,就會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱。當(dāng)接觸電阻為0.1Ω時(shí)考慮冷切換2A。這會(huì)產(chǎn)生 400mW 的熱量(即 P = I2R)。如果接觸電阻高達(dá) 1Ω,則為 4W。


如前所述,熱量會(huì)削弱線圈的磁場(chǎng),因?yàn)榱鹘?jīng)線圈的電流不足(如果未考慮電壓過(guò)驅(qū)動(dòng))。此外,如果開(kāi)關(guān)變得非常熱,也會(huì)失去磁性(基于居里效應(yīng))。當(dāng)開(kāi)關(guān)冷卻后,這些屬性可以恢復(fù)。


然而,如果磁簧開(kāi)關(guān)輸入側(cè)的電流仍然存在,則該器件在返回工作狀態(tài)時(shí)會(huì)處于熱開(kāi)關(guān)狀態(tài),并且其壽命將會(huì)縮短。


間歇性故障


除了性能下降之外,舌簧繼電器的不正確使用也會(huì)導(dǎo)致間歇性故障。如前所述,溫度可能是一個(gè)問(wèn)題。過(guò)載不足是另一個(gè)問(wèn)題,在這方面,盡管舌簧繼電器可能已正確指定,但如果在需要操作(線圈通電)觸點(diǎn)時(shí)有某種原因?qū)е?PCB(安裝有設(shè)備)上的電源電壓下降,可能無(wú)法關(guān)閉。


間歇性故障的另一個(gè)(且經(jīng)常被忽視的)原因是磁干擾。其常見(jiàn)來(lái)源是未屏蔽繼電器(我們將在第 2 部分中討論屏蔽),這些繼電器在 PCB 上放置得太近。見(jiàn)圖 3。






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圖 3:上圖展示了彼此靠近放置的非屏蔽舌簧繼電器的磁場(chǎng)如何相互作用。


磁干擾也可能來(lái)自變壓器、螺線管、揚(yáng)聲器或其他具有強(qiáng)磁場(chǎng)的組件。


有趣的是,盡管簧片很柔軟并且它們之間的間隙非常小,但振動(dòng)幾乎不是間歇性故障的原因。舌簧繼電器的質(zhì)量非常輕。注:Pickering Electronics 的一些鐵路行業(yè)客戶已在 50G 下測(cè)試了舌簧繼電器,沒(méi)有出現(xiàn)任何故障。


重要提示


如果使用不當(dāng),舌簧繼電器的性能會(huì)下降,其可靠性也會(huì)受到影響??赡軙?huì)發(fā)生間歇性和永久性故障。為了降低出現(xiàn)上述情況的風(fēng)險(xiǎn),我們建議:


確保負(fù)載條件(正在切換的電壓和電流)在設(shè)備的總體額定功率范圍內(nèi)。


考慮電容和/或電感如何影響負(fù)載條件。


確保施加在線圈上的電壓接近設(shè)備的標(biāo)稱線圈電壓,并且不會(huì)受到驅(qū)動(dòng)器上壓降的影


請(qǐng)注意可能影響操作的外部影響,特別是溫度和磁相互作用。


除上述內(nèi)容外,我們建議您了解哪些操作參數(shù)對(duì)應(yīng)用很重要以及哪些因素可能會(huì)影響它們。此外,雖然我們?cè)诒疚拈_(kāi)頭說(shuō)舌簧繼電器在達(dá)到使用壽命之前可以執(zhí)行數(shù)百億次操作,但如果應(yīng)用程序發(fā)現(xiàn)設(shè)備在其指定的操作參數(shù)之外工作,則該數(shù)字將大大減少。


最后,在保障產(chǎn)品/系統(tǒng)的可靠性方面,正確選擇舌簧繼電器非常重要。除了基本規(guī)格(例如額定功率、**開(kāi)關(guān)電流以及操作和釋放時(shí)間)外,設(shè)備還必須精心設(shè)計(jì)和制造。

公司介紹:上海上繼科技有限公司是一家專業(yè)從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及智能電網(wǎng)電力自動(dòng)化產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)為一體的高科技公司。擁有資深繼電保護(hù)專家團(tuán)隊(duì)和國(guó)內(nèi)**的檢測(cè)儀器及校驗(yàn)設(shè)備。同時(shí)還引用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù),來(lái)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。本公司的產(chǎn)品廣泛用于電力、工礦、鐵路、建筑等國(guó)家重大工程輸配變電系統(tǒng)上,產(chǎn)品遠(yuǎn)銷東南亞及中東地區(qū)。產(chǎn)品通過(guò)國(guó)家繼電保護(hù)及自動(dòng)化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè),獲得ISO9001國(guó)際質(zhì)量體系認(rèn)證?!翱萍紕?chuàng)新,誠(chéng)信務(wù)實(shí)”是公司的經(jīng)營(yíng)理念,本公司以高超的技術(shù)支持和對(duì)用戶高度負(fù)責(zé)的售后服務(wù)贏得了輸配電成套企業(yè)的信賴,且樹(shù)立了良好的信譽(yù)。

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