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        淺析電磁繼電器的選型及可靠使用

        2021-04-12 01:44:34中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所魏一鳴肖衛(wèi)鎮(zhèn)
        電子世界 2021年5期
        關(guān)鍵詞:瞬態(tài)觸點(diǎn)并聯(lián)

        中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 呂 冰 魏一鳴 肖衛(wèi)鎮(zhèn)

        文章主要介紹了電磁繼電器的工作原理及技術(shù)指標(biāo),提出了電磁繼電器選用要求,并對電磁繼電器的正確使用提出了具體措施,提高了電磁繼電器的使用可靠性,滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性要求。

        繼電器(英文名:REALY)是一種控制元件,當(dāng)輸入量(電、磁、光、熱等物理量)達(dá)到某一規(guī)定值時(shí),使被控制量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種器件。通常應(yīng)用于自動控制電路,它實(shí)際上是一種隔離控制與被控制電路的“自動開關(guān)”,故常在電路中起到自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。

        繼電器按工作原理不同可分為:

        (1)電磁繼電器:利用電磁感應(yīng)原理工作,一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成。

        (2)固態(tài)繼電器:利用電子元件(如:開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件)的開關(guān)特性,由微電子電路、分立電子器件、電子功率器件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)。

        (3)其他特殊繼電器:如溫度繼電器、壓力繼電器、光繼電器、瓦斯繼電器、霍爾效應(yīng)繼電器等。

        由于電磁繼電器具有體積小,功耗小、使用方便等優(yōu)點(diǎn),使其得以廣泛應(yīng)用于航空、航天、通訊等軍、民用電子設(shè)備中。因此如何正確選擇、應(yīng)用電磁繼電器,滿足電路可靠性要求,是設(shè)計(jì)人員關(guān)心的問題。本文就此探討電磁繼電器的選型及使用可靠性問題。

        1 電磁繼電器的種類

        1.1 電磁繼電器的種類

        電磁繼電器是利用輸入信號(電壓、電流)在電磁鐵鐵芯中產(chǎn)生電磁力,吸引銜鐵,從而使觸點(diǎn)動作實(shí)現(xiàn)斷開、閉合或轉(zhuǎn)換控制的一種機(jī)電元件。

        電磁繼電器根據(jù)輸入信號信號不同可分為直流繼電器(控制信號為直流)和交流繼電器(控制信號為交流)兩類。在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)輸入信號的不同分別選用。

        此外根據(jù)線圈輸入信號還可已分為電壓型繼電器及電流型繼電器。電壓型繼電器線圈匝數(shù)較多,導(dǎo)線較細(xì),阻抗較大;電流型繼電器剛好相反,線圈匝數(shù)較少、導(dǎo)線較粗,阻抗較小。一般情況下兩者不能互換使用,以免損壞器件或?qū)е缕骷荒苷9ぷ鳌?/p>

        目前生產(chǎn)主要以電壓繼電器為主,電流繼電器品種較少。根據(jù)不同的用途可分為:

        通用繼電器:除磁保持繼電器以外,一般用途的繼電器。

        靈敏繼電器:輸入很小的功率(通常不超過100mW)。

        磁保持繼電器:由控制信號激勵使其觸點(diǎn)觸點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換,當(dāng)控制信號撤除后,仍保持激勵時(shí)的狀態(tài),必須施加反向的控制信號方能使其觸點(diǎn)恢復(fù)原來狀態(tài)的繼電器。

        延時(shí)繼電器:有延時(shí)或定時(shí)功能的繼電器。

        1.2 繼電器的主要技術(shù)指標(biāo)

        電磁繼電器屬于機(jī)電元件,主要包括機(jī)械指標(biāo)和電氣指標(biāo)。

        (1)機(jī)械指標(biāo)包括:封裝形式包括:敞開式、封閉式、密封式(非氣密、氣密),尺寸、重量、安裝方式、觸點(diǎn)動作壽命、引出端形式等。

        (2)電氣指標(biāo)包括:電阻特性:包括線圈電阻,觸點(diǎn)的斷開電阻、觸點(diǎn)的接觸電阻。繼電特性:包括吸合電壓及釋放電壓。時(shí)間特性:包括吸合時(shí)間、釋放時(shí)間及觸點(diǎn)抖動、回跳時(shí)間。負(fù)載特性:包括觸點(diǎn)負(fù)載電流及負(fù)載電壓,線圈的額定電壓、電流。

        (3)其他技術(shù)指標(biāo):質(zhì)量等級、環(huán)境等級。

        2 電磁繼電器的選型

        要正確選用電磁繼電器,首先要了解控制對象的特點(diǎn),明確電路輸入信號的電氣特性,負(fù)載特性;明確系統(tǒng)初始狀態(tài)要求,明確系統(tǒng)使用環(huán)境,可靠性要求。

        選用電磁繼電器一般遵循以下步驟:(1)依據(jù)輸入信號參數(shù)確定電磁繼電器種類及輸入?yún)?shù);(2)依據(jù)負(fù)載要求確定電磁繼電器的觸點(diǎn)種類和參數(shù);(3)依據(jù)使用環(huán)境及系統(tǒng)可靠性要求選擇合適的環(huán)境等級和質(zhì)量等級;(4)依據(jù)安裝位置選定電磁繼電器結(jié)構(gòu)形式;(5)最后在滿足系統(tǒng)要求的前提下選擇最經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品。

        3 電磁繼電器的可靠使用

        據(jù)統(tǒng)計(jì)失效電磁繼電器中大約30%為使用不當(dāng)導(dǎo)致,因此如何正確使用電磁繼電器,提高電磁繼電器的可靠性,是設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)難點(diǎn)。這里重點(diǎn)分析在使用中如何提高電磁繼電器的可靠性。

        3.1 觸點(diǎn)的可靠性提升

        大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明電磁繼電器的常見失效模式中,44%為觸點(diǎn)開路,40%為觸點(diǎn)粘連,14%為參數(shù)漂移,2%為線圈故障包括開路與短路兩種故障類型。由此可見電磁繼電器絕大部分與觸點(diǎn)有關(guān)。

        (1)觸點(diǎn)的降額

        降額設(shè)計(jì)是將元器件或產(chǎn)品在實(shí)際工作中承受的各種應(yīng)力(電壓、功耗、溫度等)低于其設(shè)定的額定值。通過限制元器件所承受的應(yīng)力大小,達(dá)到降低元器件的失效率,是提高使用可靠性的有效手段。

        電磁繼電器在使用中應(yīng)根據(jù)電路實(shí)際負(fù)載特性及負(fù)載電流進(jìn)行合適的選擇并進(jìn)行合理的降額。一般情況下廠家給出的電磁繼電器觸點(diǎn)額定負(fù)載是針對純阻性負(fù)載,在不同的負(fù)載下(如:電感、電機(jī)、燈絲等)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的折算,具體折算標(biāo)準(zhǔn)見表1。

        表1 不同性質(zhì)負(fù)載觸點(diǎn)電流轉(zhuǎn)化表

        但電磁繼電器的觸點(diǎn)負(fù)載不應(yīng)進(jìn)行過度降額,這是因?yàn)樵陬~定負(fù)載情況下,觸點(diǎn)間的電弧可以產(chǎn)生穩(wěn)定的清洗與拋光作用,保證觸點(diǎn)不被氧化,使觸點(diǎn)表面不致形成絕緣污染物。尤其是在中等電流負(fù)載(中等電流負(fù)載是指25mA至500mA的負(fù)載電流)情況下,會發(fā)生在工作一段時(shí)間后發(fā)生接觸電阻增大超過合格判據(jù)甚至開路失效。如果繼電器需要工作在中等電流條件下,又對接觸電阻又有嚴(yán)格要求,需在定貨時(shí)向承制廠商提出要求,專門設(shè)計(jì)生產(chǎn)在中等電流下工作、接觸電阻符合要求的繼電器。

        (2)觸點(diǎn)組合方式及連接方式

        應(yīng)根據(jù)電路實(shí)際選擇不同的觸點(diǎn)組形式及觸點(diǎn)組數(shù)量。常見的觸點(diǎn)組形式有常開型,常閉型和雙擲型,具體見表2。

        表2 常見的觸點(diǎn)組形式及代號

        為提高觸點(diǎn)可靠接通,可將同一繼電器的兩組觸點(diǎn)并聯(lián)使用。但是流過觸點(diǎn)的電流必須小于單個(gè)觸點(diǎn)的額定電流。這是由于電磁繼電器為機(jī)電產(chǎn)品,多觸點(diǎn)繼電器在動作時(shí)間及阻抗上有差異,在吸合或斷開瞬間導(dǎo)致觸點(diǎn)超過額定功率使用,引起觸點(diǎn)燒蝕,繼電器失效。因此在將觸點(diǎn)并聯(lián)使用時(shí),單個(gè)觸點(diǎn)的負(fù)載電流不得超過其額定電流。觸點(diǎn)并聯(lián)有助于防止開路的失效模式,但對于觸點(diǎn)粘連的模式則有害。

        為提高觸點(diǎn)可靠斷開,可將同一繼電器的兩組觸點(diǎn)串聯(lián)使用。觸點(diǎn)的串聯(lián)有助于防止觸點(diǎn)粘連失效模式,但對于觸點(diǎn)的開路模式則是有害的。

        因此設(shè)計(jì)人員再采用觸點(diǎn)串、并聯(lián)提高觸點(diǎn)接觸可靠性時(shí)應(yīng)充分考慮負(fù)面影響,權(quán)衡利弊。

        在電路設(shè)計(jì)中常見設(shè)計(jì)人員在使有多觸點(diǎn)繼電器時(shí),使用一組觸點(diǎn)作為控制輸出,另一組觸點(diǎn)作為輸出檢測,但是該方式并不能完全反應(yīng)被控電路的工作狀態(tài),存在很大的虛警及漏報(bào)情況。不建議使用該方式作為自測試。

        3.2 電磁繼電器的瞬態(tài)抑制

        電磁繼電器的瞬態(tài)抑制包括線圈的瞬態(tài)抑制及觸點(diǎn)的瞬態(tài)抑制。

        (1)線圈的瞬態(tài)抑制

        當(dāng)線圈的電流突然被切斷時(shí),線圈會產(chǎn)生反向電動勢,該反向電動勢會對電路內(nèi)其他元器件造成損傷,為將反向電動勢抑制到可接受水平,減少對電路內(nèi)其他元器件影響,需在電路中增加抑制電路,使其降至可以接受的水平,不對其他元器件造成損傷。但是恰當(dāng)或者過度的抑制會對電磁繼電器的轉(zhuǎn)換時(shí)間、觸點(diǎn)回跳時(shí)間帶來影響,設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎選取抑制電路和抑制元器件參數(shù)。常見的抑制措施有:線圈并聯(lián)二極管,線圈并聯(lián)二極管電阻,線圈并聯(lián)抑制二極管,線圈并聯(lián)電容,電阻等。使用方式見圖1。

        圖1 線圈的瞬態(tài)抑制方式

        (2)觸點(diǎn)的瞬態(tài)抑制

        觸點(diǎn)的瞬態(tài)抑制根據(jù)負(fù)載的不同可分為感性負(fù)載抑制和容性負(fù)載抑制。

        當(dāng)觸點(diǎn)負(fù)載為感性負(fù)載時(shí),在觸點(diǎn)斷開瞬間,負(fù)載中存儲的能量必須通過觸點(diǎn)燃弧來消耗。為了消除和減輕電弧對觸點(diǎn)的危害延長觸點(diǎn)使用壽命,消除對系統(tǒng)其他電路的影響,通常采用抑制電弧的保護(hù)措施。常見措施有:①并聯(lián)電阻器;②并聯(lián)二極管和電阻器(在感性負(fù)載較小時(shí)也可以去掉電阻器);③并聯(lián)齊納二極管。

        當(dāng)觸點(diǎn)負(fù)載為容性或燈絲負(fù)載時(shí),在觸點(diǎn)閉合瞬間,會產(chǎn)生較大的浪涌電流,導(dǎo)致觸點(diǎn)燒蝕。常見的措施是在觸點(diǎn)的輸出端串聯(lián)不大于10—100Ω的限流電阻來達(dá)到抑制沖擊電流的目的。

        觸點(diǎn)采用抑制措施后,雖然可提高觸點(diǎn)的可靠性。但是由于觸點(diǎn)并聯(lián)了器件,會一定程度影響觸點(diǎn)的斷、通阻抗比。另外,抑制器件的可靠性要高于電磁繼電器本身,否則不但不能提高電磁繼電器的可靠性,反倒帶來不利影響。

        結(jié)語:由于電磁繼電器,在實(shí)際電路中廣泛使用,且常常在整個(gè)控制電路中屬于關(guān)鍵控制元器件,同時(shí)繼電器又屬于可靠性較差的元器件。因此正確的選用、使用繼電器,達(dá)到系統(tǒng)的可靠性要求,需要設(shè)計(jì)人員仔細(xì)分析設(shè)計(jì),進(jìn)行多輪的循環(huán)迭代設(shè)計(jì)。本文簡要介紹了電磁繼電器的選用步驟,提出了電磁繼電器的可靠性設(shè)計(jì)注意事項(xiàng),為設(shè)計(jì)人員正確選擇和使用繼電器提供了一定的參考。

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